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Università degli Studi di Pisa
Corso di Laurea in
Ingegneria Meccanica
DISPENSE DI
ELEMENTI COSTRUTTIVI
DELLE MACCHINE
Enrico Manfredi
Rev.6 - Settembre 2008
Anno Accademico 2008-09
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
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Sommario
Questo documento raccoglie le dispense integrative destinate agli allievi del Corso di Laurea
triennale in Ingegneria meccanica dell’Università di Pisa, che seguono l'insegnamento di Elementi
costruttivi delle macchine al III anno di corso.
Le dispense contengono alcuni argomenti che non sono trattati nel libro di testo consigliato1.
Inoltre, presentano i temi di alcune esercitazioni svolte nella prima parte del corso, unitamente ad
esempi sia delle prove in itinere (verifica intermedia) sia delle prove scritte d'esame.
INDICE
§ 1 - Le specifiche tecniche (da uno scritto del Prof. Ing. Lucio Lazzarino)
pag. 2
§ 2 – Materiali e criteri di scelta
pag. 4
§ 3 - Verifiche con carichi statici
pag. 15
§ 4 – Verifiche a fatica
pag. 21
Esercizi e prove d'esame risolti
pag. 30
Appendici: esempi di specifiche tecniche
pag. 64
Allegati:
1) Lezione introduttiva sul metodo degli Elementi Finiti.
2) Esercitazione sull'applicazione del metodo tramite software ANSYS (a cura del Dott.
Ing. Francesco Frendo)
3) Linea guida per la compilazione della relazione dell’esercitazione pratica (2).
4) Lezione sui collegamenti preserrati: il “diagramma triangolare”
5) Elenco di siti Internet di interesse
1
R.Juvinall, K. Marshek "Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine", ed. ETS,
(2.a ristampa) Pisa, 2001.
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§ 1 - DOCUMENTI DI PROGETTO: LE SPECIFICHE TECNICHE
Complementi al Cap.1 del testo di Juvinall e Marshek
“Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine”
(ristampa 2.a edizione) ed. ETS, 2001
Estratto da: L. Lazzarino - SULLE SPECIFICHE TECNICHE - Ed. CRITA, Pisa 1980
La specifica tecnica costituisce la definizione tecnicamente corretta di un prodotto industriale per
quanto attiene le prestazioni richieste e le condizioni che delimitano le possibilità di scelte progettuali. Una
specifica tecnica deve derivare da una di queste due fonti:
- conclusioni di una trattativa tecnico-commerciale tra costruttore ed acquirente
- conclusione di un'approfondita analisi tecnico economica dei bisogni espliciti o latenti di un dato mercato.
In ambedue i casi la specifica tecnica, assieme al programma di produzione ed alle condizioni di
vendita, costituisce il preciso enunciato del problema ingegneristico cui il progettista deve dare soluzione
ottimizzata sul piano costruttivo ed il responsabile della produzione deve dare soluzione ottimizzata sul
piano produttivo, entro i termini temporali programmati.
La definizione della specifica tecnica permette di rispondere agli interrogativi:
- che cosa precisamente bisogna fornire?
- a quali condizioni deve soddisfare ciò che si deve fornire?
E` opportuno che ogni specifica tecnica si attenga ad uno schema; l'indice tipico di una specifica
tecnica e` cosi` costituito:
1 - Sigla di individuazione, data, responsabile
2 - Contenuto ed indice della specifica
3 - Introduzione
4 - Prestazioni richieste
5 - Condizioni da soddisfare
5.a - Pesi ed ingombri
5.b - Interfacce
5.c - Prescrizioni legali e regolamentari
5.d - Condizioni ambientali
5.e - Condizioni ergonomiche
6 - Trasporti, consegna od installazione
7 - Modalità di collaudo tecnico e di accettazione
8- Addestramento all'impiego, impiego, ispezione, manutenzione e ricambi
9 - Garanzie tecniche e tempi relativi
10 - Allegati facenti parte integrante della specifica
11 - Glossario.
Il paragrafo "Introduzione" non e` indispensabile, ma può avere lo scopo di chiarire i criteri generali
secondo i quali si e` proceduto alla compilazione della specifica tecnica per facilitarne la corretta interpretazione.
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Maggiore attenzione merita il paragrafo "Prestazioni", ove devono essere precisate qualitativamente
e quantitativamente tutte le prestazioni richieste. Tali prestazioni devono essere individuate dando soltanto i
valori minimi ammessi o l'intervallo dei valori ammessi. Possono anche indicarsi valori "normali" e valori
meno favorevoli dei normali, ammissibili entro dati limiti, ma con applicazione di penalità. Per contro
prestazioni più favorevoli possono determinare aumenti di prezzo.
La specifica tecnica deve individuare quello che effettivamente interessa l'acquirente, evitando
comunque di imporre vincoli non indispensabili.
Circa le condizioni da soddisfare, quelle che riguardano ingombri ammessi e le interfacce di carattere
geometrico conviene che siano definite da disegni allegati alla specifica.
Se il prodotto deve essere connesso con reti di distribuzione di energia o di segnali elettrici, di fluidi
in pressione, di rimozione di scarichi od altro, devono essere precisate le connessioni con i sistemi suddetti,
se necessario con l'ausilio di disegni e con il riferimento preciso ad eventuali norme ed ad unificazioni, cui
sia obbligatorio o conveniente attenersi.
Di grandissima importanza e` la completa e chiara precisazione delle leggi, dei regolamenti, delle
normative a cui il prodotto deve soddisfare.
L'adeguata conoscenza e precisazione delle condizioni ambientali deve permettere di evitare difetti
di funzionamento imputabili a particolari condizioni ambientali (temperature eccezionalmente alte o basse,
stati igrometrici eccezionali, aria od acqua inquinate, etc.).
La precisazione delle condizioni ergonomiche riguarda l'ottimizzazione dei rapporti tra il prodotto e
le persone che hanno con esso contatto diretto durante l'impiego ed anche durante le operazioni di ispezione,
manutenzione, riparazione e ricambio.
Circa la possibilità di cui può servirsi il costruttore per il trasporto ed il montaggio in opera di
impianti e macchinari attinenti la fornitura, esse devono essere definite con adeguata precisione.
Poiché i collaudi implicano generalmente l'effettuazione di misure e` necessario stabilire le
procedure e la strumentazione, le norme per la taratura e la campionatura degli strumenti di misura e le
condizioni per cui il collaudo deve essere effettuato, se queste influiscono sulle misure, oppure le regole di
riduzione delle misure a condizioni di riferimento nel caso in cui le condizioni in cui si effettua il collaudo
siano diverse da queste ultime.
L'azione di assistenza tecnica può comprendere l'istruzione e l'addestramento del personale
dipendente dall'acquirente, la collaborazione all'avviamento al funzionamento, alle operazioni di ispezione,
manutenzione ordinaria e straordinaria, riparazione e ricambio.
Il paragrafo "Garanzie e tempi relativi" deriva dalle conseguenze che le clausole contrattuali hanno
sulla progettazione oggetto della fornitura, in relazione alla sicurezza del tempo di funzionamento richiesto
ed agli eventuali interventi necessari per il rispetto delle clausole di garanzia contrattuale.
Gli allegati devono essere indicati in modo completo nell'indice della specifica; essi sono di solito
disegni, norme di dettaglio, chiarimenti sulle interpretazioni delle leggi o regolamenti.
Il glossario non e` indispensabile, ma e` molto opportuno quando si usano termini e locuzioni di uso
non comune, specialmente se in una lingua diversa.
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§ 2 - MATERIALI E RELATIVI CRITERI DI SCELTA
Integrazione del Cap.3 del testo di Juvinall e Marshek già citato
2.1 La varietà di materiali da costruzione meccanica è molto grande. La scelta tra i materiali può essere
facilitata e resa razionale con il metodo degli indici di merito, che permettono di classificare i materiali in
rapporto ad aspetti desiderabili per ogni data applicazione.
Gli indici di merito riguardano specifici requisiti quali, ad esempio: leggerezza e resistenza meccanica
oppure leggerezza e rigidezza. Il requisito di leggerezza tende a divenire sempre più importante. Riducendo
le masse diminuiscono i carichi d’inerzia, ad es.: negli azionamenti a dinamica veloce. Soprattutto, si
riducono i consumi sia d’energia sia di materie prime non rinnovabili. La “dematerializzazione” è, infatti,
uno degli obiettivi della progettazione orientata all’ambiente (Eco-design).
2.2 In generale per un dato problema di progetto si possono stabilire una o più opportune relazioni tra
quantità Q che occorre minimizzare (es: massa) o massimizzare (es: rendimento) e parametri che riguardano
il materiale (M), la geometria (G) oppure sono di carattere funzionale (F). In generale si può scrivere:
Q=f(M,G,F)
(a)
Questa relazione deve essere studiata, applicando eventualmente criteri di ottimizzazione. Si consideri ad
m = ρAl
esempio un’asta tesa di lunghezza l e sezione costante A . Detta ρ la densità, la massa sarà data da:
La sezione A può essere dimensionata in base a considerazioni sia di resistenza sia di rigidezza.
Nel primo caso occorre definire un valore σamm della tensione che non deve essere superata, in base alla
natura ed allo stato di trattamento (storia tecnologica) del materiale ed anche in base al tipo di cedimento che
si deve evitare (deformazione permanente, frattura, fessurazione e rottura dilazionata). Se N è lo sforzo di
trazione specificato, sarà in questo caso:
σ=
N
N
→ Anecessaria =
A
σ amm
Per ogni data lunghezza l, la massa dell’asta sarà:
m=ρ
N
σ amm
l=
ρ
σ amm
l⋅N
Perciò, in questo caso, per minimizzare la massa si dovrà massimizzare l’indice di merito σamm./ρ.
Si osserva inoltre che la relazione (a) in questo ed in altri casi simili assume la forma: Q=M⋅G⋅F.
Analogamente se il criterio è la rigidezza, detto δamm l’allungamento specificato dell’asta, sarà:
δ amm =
Nl
Nl
→ Anecessaria =
EA
Eδ amm
Per minimizzare la massa, dalla relazione:
m=ρ
Nl
ρ
N
l = l2
Eδ
E δ amm
si nota che in questo secondo caso (asta o struttura tesa) si dovrà massimizzare l’indice di merito E/ρ.
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_______________________________________________________________________________________
Esempio:
Si deve realizzare una trave inflessa di lunghezza l con sezione quadrata costante di lato H . Si domanda se,
a parità di rigidezza, conviene usare un acciaio oppure una lega leggera di alluminio per costruire una trave
di minimo peso.
Dati:
Modulo di Young dell’acciaio: E1 = 210 GPa; densità dell’acciaio: ρ1 = 7,8 Mg/m3;
modulo di Young delle leghe di Al: E2 = 72 GPa; densità delle leghe di Al: ρ2 = 2,8 Mg/m3.
Ipotesi semplificativa
Si assume, approssimativamente, E1=3E2 e ρ1=3ρ2
Soluzione
Il momento d’inerzia della sezione è dato da: J=H4/12. Nel caso di flessione uniforme tra il momento
flettente Mf e la freccia massima δ esiste la relazione:
δ =
M f l2
8EJ
=
3M f l 2
2 EH 4
Per ogni dato valore di Mf e l, tra la sezione necessaria ed il modulo di Young esiste una relazione del tipo:
A= H2 =
costante
E
In definitiva si può scrivere:
m = ρAl → m ∝
ρ
E
Il rapporto tra le masse sarà:
macciaio ρ1
=
mlegaAl
ρ2
E2
E1
Risultato:
Usando le ipotesi semplificative circa le proprietà dell’acciaio e della lega di alluminio, si trova:
macciaio 3ρ 2
≈
mlegaAl
ρ2
E2
3
=
= 1,73
3E 2
3
Il risultato esatto differisce di poco da questo.
Commenti:
L’indice di merito del materiale per le strutture inflesse è (√E)/ρ ; per le strutture tese è invece: E/ρ.
Nei limiti del campo di comportamento elastico ed a parità di forma di sezione, una trave inflessa d’acciaio
avrà un peso quasi doppio di quello di una trave di lega di alluminio (es.: ala aeroplano) altrettanto rigida.
_______________________________________________________________________________________
2.3. Un altro esempio: nei materiali per molle e simili impieghi, si richiede un'elevata capacità di assorbire
energia elastica. Per un corpo uniformemente teso si può scrivere:
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σ2
1
σ2
U = σεV =
V → occorre massimizzare il rapporto amm
E
2
2E
Considerando l'energia per unità di massa si ottiene il seguente indice di merito:
σ2
U
= amm
ρV
Eρ
2.4 Nella scelta dei materiali entrano in gioco tutte le loro proprietà. Si consideri un'applicazione in cui si
chiede elevata conducibilità termica, con sollecitazioni d'origine termica entro il campo elastico.
La massima tensione termoelastica per una data variazione di temperatura è data dalla: σ=cEε=cEαΔT ove c
varia tra 1 nel caso monoassiale e 1/(1-v2) nel caso triassiale.
Il limite ammissibile della tensione elastica (limite che dipende dalla massima temperatura) determina perciò
un valore limite di ΔT.
Per un dato flusso di calore q=Q/A, detto k il coefficiente di conducibilità, la variazione di temperatura su
una data distanza x (es.: spessore) è data dall'equazione: q=kΔT/x→ ΔT=qx/k.
Di conseguenza un indice di merito del materiale per queste applicazioni si trova come segue:
ΔTamm =
σ amm qx
σ ⋅k
=
→ affinchè sia q max → amm deve essere massimo.
k
Eα
Eα
2.5. Un confronto sintetico tra i materiali si ottiene riportando i parametri significativi che compaiono negli
indici di merito (es.: densità e modulo di Young) in opportune mappe, come è indicato alle figure seguenti.
Si possono così evidenziare le caratteristiche generali delle principali famiglie di materiali.
Le condizioni di uguale indice di merito sono individuate da opportune linee (es: E/ρ=cost. per strutture tese
e √E/ρ=cost. per strutture inflesse). Usando coordinate bilogaritmiche queste linee diventano rette. Criteri
diversi (es.: trazione o flessione) corrispondono a pendenze diverse.
Si possono così individuare i materiali delle varie famiglie che presentano un identico indice di merito (si
trovano sulla stessa linea) ed evidenziare quelli per cui l’indice di merito raggiunge i valori massimi.
Dopo aver scartato i materiali che non soddisfano altri requisiti vincolanti (es: massima temperatura di
impiego) si può così scegliere tra i materiali di pari merito in base ai rimanenti requisiti funzionali.
In [1] è presentata una trattazione completa, con mappe basate su questo tipo di approccio. Analoghe
informazioni si trovano sul sito internet [5] dell'Università di Cambridge (UK).
2.6. I materiali metallici sono adeguatamente descritti nel libro di testo, sebbene sia necessario aggiornare
periodicamente il quadro ivi presentato. Ad esempio, recentemente sono state introdotte meno costose leghe
di Titanio (Ti LCB, Low Cost Beta) per realizzare molle (σ2/Eρ elevato ) di autoveicoli e altri componenti.
Per quanto riguarda i materiali non metallici, si possono considerare separatamente le seguenti famiglie
principali.
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Rigidezza e densità dei materiali strutturali
Superleghe
Modulo di Young (GPa)
250
Acciai
Compositi
200
Leghe Zn
150
Leghe Al
Leghe Mg
Leghe Ti
100
50
Ghise
Ottoni
bronzi
0
0
1
2
Plastiche
3
4
5
6
7
8
9
Densità (kg/dmc)
Note: 1) I materiali strutturali ceramici, non rappresentati, hanno un eccellente rapporto rigidezza/densità.
2) Le plastiche rinforzate con “cariche” di fibre corte o di particelle (tecnoplastiche) si collocano in una
posizione all'incirca intermedia tra le plastiche ed i compositi veri e propri.
2.6.1. Materiali ceramici “strutturali” (engineering ceramics, es.: Al2O3, Si3N4, SiC). Sono fragili con
comportamento lineare fino a rottura. La resistenza in compressione è superiore di circa un ordine di
grandezza rispetto a quella in trazione. La conducibilità termica è limitata. Aspetti sfavorevoli: fragilità,
sensibilità agli intagli ed ai piccoli difetti; variabilità di caratteristiche da pezzo a pezzo, fatto che rende
necessario un approccio probabilistico (vedi Cap.6 del testo), difficoltà di costruzione e controllo, costo.
Aspetti favorevoli: stabilità di forma, resistenza all’usura, alla corrosione ed alle elevate temperature.
2.6.2 Materie plastiche (tecnoplastiche, engineering plastics, vedi libro di testo). Quelle termoindurenti
hanno comportamento elastico-fragile. Il comportamento delle termoplastiche varia tra quello quasi fragile e
quello di un fluido viscoso, in base al rapporto tra temperatura e temperatura di transizione (vetroso, a freddo
→ viscoso, a caldo; per PA Nylon: Ttrans ≈ 60°C; per il più recente PEEK Victrex: Ttrans ≈ 140°C).
In generale le plastiche con struttura semi cristallina (es.: Nylon) hanno maggiore resistenza meccanica e
chimica, minore stabilità di forma, sono meno trasparenti e sono meno facilmente incollabili rispetto a quelle
amorfe (es.: ABS). Fenomeni particolari: rigonfiamento per assorbimento umidità, danno da raggi UV, ecc.
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Resistenza e densità dei materiali strutturali
Superleghe
Acciai
Carico di rottura (MPa)
1600
1400
Leghe Ti
1200
1000
Compositi
800
Leghe Al
Leghe Mg
600
400
Ghise
200
0
0
1
2
Plastiche
3
4
5
Leghe
Zn
6
7
8
Densità (kg/dm c)
Ottoni
9
bronzi
Note: 1) Su è la tensione unitaria di rottura statica, secondo la notazione del testo di Juvinall e Marshek.
2) Si considerano compositi laminati, in quanto sono più usati dei compositi con fibre unidirezionali.
3) I materiali ceramici strutturali, non rappresentati, hanno indici di merito elevati in compressione ma
molto bassi in trazione.
Durezza superficiale e densità dei materiali
800
Acciai
Durezza Brinell (HB)
700
600
500
Leghe Ti
400
300
Leghe Al
Leghe Mg
200
100
Ghise
0
0
1
2
3
4
5
Plastiche
Densità (kg/dm c)
Compositi polim.
Leghe
Zn
6
7
8
Ottoni
9
bronzi
Nota: I materiali ceramici strutturali, non rappresentati, hanno sia elevati valori di durezza, sia un
eccellente rapporto tra durezza e densità.
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Le proprietà delle plastiche migliorano notevolmente con l’aggiunta di particelle di “carica” (es.: migliore
trasmissione del calore) oppure di fibre con orientazione casuale oppure preferenziale (es.: direzione del
flusso di riempimento degli stampati ad iniezione). In questo modo si ottengono “materiali compositi”
relativamente economici.
2.6.3. Elastomeri e gomme: le seconde hanno un campo di comportamento elastico più esteso dei primi. Il
comportamento è elastico non lineare, con grandi deformazioni e con forte smorzamento interno in campo
elastico. Coefficiente di Poisson ν ≈ 0,5. Questi materiali si possono suddividere come segue:
o
per impieghi generici (T<130°C): Stirene butadiene o SBR, Buna-S (pneumatici), Neoprene o CR
(soffietti ecc.), Gomme al nitrile o NBR, Buna-N (guarnizioni tipo O-R, ecc.), gomma naturale o NR
o
per ambienti aggressivi chimicamente e/o fino a T≈200°C: fluoroelastomeri (es.: O-R in Viton)
o
per temperature fino a -70°C o >200°C: gomme siliconiche
o
per parti con forte attrito o con forti deformazioni: elastomeri poliuretanici (cinghie, ecc.).
2.6.4. Materiali compositi per usi strutturali, costituiti di regola da fibre di diametro paragonabile alle
dimensioni microstrutturali (Carbonio, Kevlar, vetro) e da una matrice, per lo più di materia plastica ma
anche di ceramica o metallo. Le matrici plastiche sono sia termoindurenti (es.: epossidiche o poliesteri), sia
termoplastiche (es.: PEEK); queste ultime permettono una migliore riciclabilità del rottame.
Esistono vari altri tipi di materiali compositi (pannelli a sandwich con anima di espanso od a nido d’ape,
materiali costituiti sia da lamine metalliche che da lamine di composito, ecc.) che per brevità si omettono.
Le fibre, quasi esenti da difetti, si comportano in modo elastico-fragile con elevati valori sia del carico di
rottura in trazione sia del modulo di Young (es. fibre di C: σF≥2000MPa, EF≥300GPa) ed hanno il compito
di sostenere gli sforzi di trazione. La matrice ha il compito di proteggere le fibre, di tenerle in posizione, di
evitarne l’imbozzamento (microbuckling) in compressione e di trasmettere gli sforzi tra le fibre.
A differenza degli altri materiali, i compositi – come, del resto, il cemento armato - devono essere essi stessi
“progettati”. Tra l’altro, occorre calcolare la cosiddetta lunghezza critica lc delle fibre. Imponendo che le
azioni tangenziali, agenti alle due estremità della fibra, siano pari allo sforzo normale di rottura della fibra
senza che si abbia lo sfilamento della fibra dalla matrice, si trova:
lc
d2
πd τ M = π
σF;
2
4
lc =
d σF
2 τM
Sebbene sia σF>>τM , essendo d piccolo, fibre di pochi centimetri possono essere considerate “lunghe”.
I compositi strutturali veri e propri sono costituiti da varie “lamine” sovrapposte, in ciascuna delle quali le
fibre seguono la stessa direzione “principale”. Si usano sia fibre continue sia tessuti di fibre.
Ciascuna di queste lamine può essere considerata come un materiale omogeneo ortotropo, con 3 piani di
simmetria corrispondenti alla giacitura delle fibre e della lamina. In uno stato piano di tensione sono perciò
necessarie quattro costanti elastiche indipendenti per caratterizzarne il comportamento, p.es.: tramite prove.
Conoscendo i moduli di Young sia della fibre che della matrice, il modulo E1 nella direzione delle fibre si
può calcolare.
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Imponendo, con uguali deformazioni, la condizione di equilibrio allo sforzo normale, dette A1 la sezione
della lamina ed AF, AM, quelle complessive delle fibre e della matrice, si può scrivere:
ε1 = ε F = ε M
σ 1 A1 = ε 1 E1 A1 = ε 1 E F AF + ε 1 E M AM
Dividendo per A1 e ricordando che l1=lF=lM, , i rapporti tra le aree possono essere espressi tramite i rapporti
tra i volumi (frazioni volumetriche dei costituenti il composito).
Si ottiene2 così la prima delle costanti elastiche (“regola delle miscele”):
E1 = E F V% F + E M (1 − V% F )
Dallo spostamento prodotto da una tensione σ2 in direzione perpendicolare alle fibre, si troverebbe invece:
E2 =
E F V% F
EF EM
+ E M (1 − V% F )
Si noti che questa seconda costante dipende molto fortemente dal contenuto di fibre.
La resistenza della lamina secondo la direzione delle fibre dipende dalla resistenza a rottura delle fibre stesse,
e dal contributo (minore) della matrice, la cui deformazione è pari a εR,F (valore di rottura delle fibre):
σ 1, R = σ F V% F + E M ε R , F (1 − V% F )
(b)
la resistenza a rottura della matrice, calcolata supponendo che le fibre siano rotte è invece pari a:
σ '1, R = σ M , R (1 − V% F )
(c)
Queste relazioni sono riassunte nel grafico seguente.
tensioni, σF, σM
tensione rottura in direzione fibre, σ1,R
rottura fibre
fibre
lamina
eq.ne (b)
matrice
eq.ne (c)
εr,F
2
deformazioni, εF, εM
0
V%F, critico
Volume % fibre
V%F =1
Relazioni di calcolo più precise per questo e per altri aspetti si trovano su testi specialistici, quali [6].
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Si nota che la frazione volumetrica delle fibre deve superare un certo valore critico, affinché l’aggiunta di
fibre sia conveniente. Infatti di regola 70%>V%F>30%.
Gli eccezionali valori di resistenza che così si possono calcolare sono però difficilmente ottenibili in pratica.
Infatti la resistenza di una singola lamina diminuisce fortemente se la direzione della sollecitazione è anche
di poco diversa da quella delle fibre.
Negli impieghi pratici occorre perciò che le lamine dei vari strati abbiano orientazioni opportunamente
variate. Ad esempio (laminati “angle ply”) le fibre delle lamine esterne possono essere disposte secondo la
prevedibile direzione della massima sollecitazione applicata, mentre a quelle più interne si dà
alternativamente una disposizione che forma un dato angolo θ
rispetto ad essa. Con disposizioni
simmetriche si può ottenere un comportamento ortotropo del laminato o un comportamento quasi isotropo.
Tra le singole lamine si sviluppano anche azioni “interlaminari”, dovute ad esempio alla differente tendenza
delle singole lamine a subire la contrazione di Poisson. Si può dimostrare che queste tensioni sono
particolarmente elevate in corrispondenza dei bordi delle lamine e che possono essere anche di trazione.
Sperimentalmente si nota che il comportamento a rottura di un materiale composito è sostanzialmente
elastico-fragile, con valori più o meno fortemente dipendenti dalla orientazione relativa carico/lamine.
Il valore di rottura si può calcolare cautelativamente assumendo come criterio la rottura della lamina più
sollecitata. Di regola una sollecitazione agente in una direzione principale (es.: dir. 2) influisce sulla capacità
di resistenza della lamina nell’altra direzione (es.: dir. 1) e viceversa. Data l’anisotropia del materiale, sono
stati sviluppati appositi criteri di resistenza (es.: criterio di Tsai Wu)3.
In conclusione gli aspetti favorevoli di questi materiali compositi sono soprattutto le elevate resistenza e
rigidezza con peso ridotto. Quelli sfavorevoli sono l’assenza di duttilità, la limitata temperatura d’impiego
(se la matrice è polimerica), le maggiori difficoltà di fabbricazione e di controllo di qualità ed il costo.
2.7. Un aspetto da considerare nella scelta dei materiali è, ovviamente, il loro costo, tuttavia la scelta del
materiale più economico non conduce di regola alla soluzione di minimo costo del prodotto. Infatti materiali
di più elevate prestazioni (elevati valori degli indici di merito) possono consentire riduzioni di volume o di
massa tali da compensare largamente il maggiore costo unitario del materiale. Ad esempio, usando materiale
da bulloneria ad elevata resistenza si riduce non solo il volume dei bulloni, ma anche quello di tutte le parti
dell’unione imbullonata, quali flange, ecc.
Una stima approssimata dei costi di fabbricazione si può basare sulle seguenti considerazioni.
Il costo relativo di ogni materiale, in altre parole il rapporto tra il costo per unità di massa o di volume di un
dato materiale e quello di un materiale preso come riferimento (es.: acciaio comune Fe360) tende a rimanere
costante per periodi di tempo abbastanza lunghi. Perciò è possibile predisporre tabelle di costo relativo, del
tipo qui illustrato in figura, che non richiedono frequenti aggiornamenti.
3
Una sintetica illustrazione si trova su: http://ceaspub.eas.asu.edu
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Costi relativi per unità di volume (1990)
Superleghe
Leghe Titanio
Leghe Rame
Leghe leggere (Al, Mg)
Acciai da bonifica & cementazione
Gomme
Massimo
Tecnoplastiche
Minimo
Acciai comuni
Plastiche comuni
0,1
1
10
100
1000
(da Bralla,
Bralla, 1990)
Per ogni settore industriale è inoltre possibile determinare con buona approssimazione l’aliquota del costo
attribuibile al materiale rispetto al costo totale di fabbricazione.
Si considerano nei costi del materiale sia quello delle parti realizzate appositamente (es.: carcassa, ruote ed
alberi di un cambio di velocità) sia i costi di componenti acquistati (es.: cuscinetti a sfere).
Mediamente il costo dei materiali rappresenta la metà del costo totale di fabbricazione. Il costo dovuto alle
spese generali ed alla mano d’opera indiretta (compresa perciò quella di progettazione) rappresenta in media
circa il 30% del totale.
2.8. Si consideri questo esempio. Si decide di realizzarle il particolare i-esimo di una macchina con
procedimento di fusione in lega di Al (es.: carcassa). Sia Vnetto,i il volume netto del materiale di questo
particolare. Si deve maggiorare questo volume tramite un'opportuna quantità ΔVi , stimata come percentuale,
in modo da tenere conto di materozze, canali di colata e sovrametalli delle superfici lavorate. Poiché questo
materiale aggiuntivo è in gran parte riciclabile immediatamente, si stima che il volume lordo da considerare
sia pari a solo il 110÷120% del volume netto.
Sia C0 il costo per unità di volume del materiale di riferimento determinato ad un dato momento (es.:
l’acciaio Fe360 nel 2006 costava 1,5÷2 €/kg ovvero: C0 ≈ 0,01÷0,015 €/cm3). Detto CrAl il costo relativo per
unità di volume della lega leggera (CrA l ≈ 3), resta determinato il costo del materiale del particolare i-esimo:
Cmat,i=(Vnetto,i+ΔVi)⋅C0⋅CrAl
Può essere necessario correggere questa stima tramite opportuni coefficienti per tenere conto di ulteriori
aspetti quali, ad esempio, precisione, finiture o difficoltà d'esecuzione superiori a quelle usuali.
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
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Dato il disegno d’assieme di un gruppo meccanico, elencando tutti i costi sulla distinta delle parti si ottiene
in questo modo la “distinta base valorizzata” dove si indicheranno anche i costi dei componenti acquistati.
La sommatoria di tutte le voci di costo fornirà il costo dei materiali complessivo:
Cmat,tot = ΣCmat,i
Detta K l’aliquota rappresentata dal costo dei materiali rispetto al costo di fabbricazione di quel particolare
tipo di prodotto (vedi figura seguente), si calcolerà infine:
Cfabbricazione=(C mat,tot)/K
Rapporto K= costo materiali/costo fabbricazione (%)
Strumenti di precisione
Strumenti misura meccanici
Motori c.a piccola potenza
Motori c.a. media potenza
Piccole apparecchiature
Macchine utensili piccole
Macchine utensili grandi
Turbine a vapore
Turbine idrauliche
Motori diesel fissi
Motori per auto
Autoveicoli
Gru, macc. sollevamento
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
(da VDI2225, 1996)
2.9. La scelta finale dei materiali deve inoltre considerare sia la compatibilità con una tecnologia fattibile, sia
la disponibilità nel breve e nel lungo periodo, sia i costi relativi all’esercizio ed alla fine vita.
Questi ultimi riguardano i consumi d'energia, i lubrificanti, ecc., i costi di manutenzione ordinaria e
straordinaria (es.: sostituzioni di parti soggette ad usura), le eventuali possibilità di riciclo o di uso
continuato, gli eventuali costi di smaltimento del rottame.
In altre parole occorre basare la scelta definitiva su un’analisi dei costi sull'intero ciclo di vita del prodotto.
Riferimenti (per eventuali approfondimenti nell’ambito della Laurea specialistica)
1. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Pergamon Press, 1992 (Biblioteca Facoltà Ingegneria)
2. Verein Deutscher Ingenieure, linea guida VDI2225, 1996 (idem c.s. con traduzione in italiano separata)
3. Michaels, Wood, Design to Cost, Wiley, 1989 (idem c.s)
4. Bralla (coord.), Handbook of Product Design for Manufacturing (DfM): A Practical Guide to Low Cost
Production, McGraw Hill, 1990 (idem c.s.)
5. www.msn.cam.ac.uk/map
6. Eckold, Design and Manufacturing of Composite Structures, Woodhead, 1994 (idem c.s.)
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
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§ 3 - VERIFICHE CON CARICHI STATICI
Integrazione dei Capp.4, 5 e 6 del testo di Juvinall e Marshek già citato.
3.1. Concentrazione delle sollecitazioni in campo elasto-plastico
Il fenomeno della plasticità dei materiali duttili tende a ripartire uniformemente la tensione, attenuandone il
valore massimo nelle zone d'intaglio ed invece tende a concentrare la deformazione.
E' utile poter calcolare tensioni e piccole deformazioni inelastiche di limitate zone plastiche di fondo intaglio
utilizzando i risultati forniti da un'analisi elastica4. Secondo Neuber (1960) l'energia elasto-plastica Uep
nella zona più sollecitata è proporzionale, approssimativamente, all'area triangolare tratteggiata in figura.
Inoltre, l'energia elasto-plastica è ipotizzata pari all’energia Ue fornita dal modello elastico lineare.
σ
σmax,e= ktσn
σ=f(ε)
σmax
σ max =
(k t σ n )2
1
E
ε max
σn
εmax,e εmax
ε
Assumendo che la tensione nominale σn sia in campo elastico, si può scrivere allora:
1
1
dU e = σ max,eε max,e dV = ktσ n kt ε n dV
2
2
1
dU ep = σ maxε max dV
2
Uguagliando queste due energie, si può perciò scrivere:
σ maxε max = σ max,eε max,e = kt2σ nε n
kσ kε = kt2
dove si sono introdotti sia il coefficiente di concentrazione delle tensioni kσ sia quello di concentrazione
delle deformazioni kε definiti dalle:
kσ =
σ max
;
σn
kε =
ε max
εn
E' noto che kσ→1 con carichi crescenti, per effetto dello snervamento del materiale. Secondo la relazione di
Neuber, per il coefficiente di concentrazione delle deformazioni con carichi crescenti sarà: kε→ kt2 .
Supponendo nota la relazione σ=f(ε) del materiale, si può scrivere il seguente sistema d'equazioni:
σ maxε max = kt2σ nε n = kt2
σ 2n
E
;
(a)
σ max = f (ε max )
4 L'analisi "non lineare" su elaboratore permetterebbe di stabilire i valori cercati. Questo tipo di analisi è però assai
meno rapido ed agevole dell'analisi elastica lineare.
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Per ogni dato intaglio e per ogni data sollecitazione nominale i valori di kt e σn sono prefissati; il criterio di
Neuber equivale perciò al tracciamento di un'iperbole di equazione:
⎛ σ2 ⎞ 1
C
σ max = ⎜⎜ kt2 n ⎟⎟
= .
E ⎠ ε max ε max
⎝
nel piano cartesiano tensione-deformazione; questa iperbole intercetta la curva σ - ε del materiale nel punto
corrispondente alla massima sollecitazione locale (vedi figura a pagina precedente).
Il criterio di Neuber può essere utilizzato per imporre che la massima deformazione nella zona intagliata non
superi un limite ammissibile (es.: ovalizzazione della sede di una coppia rotoidale dopo un sovraccarico).
Noto il fattore di forma kt dell'intaglio, si possono allora risolvere le equazioni (a) per stabilire il limite
ammissibile della tensione nominale, e quindi il carico statico tollerabile.
_______________________________________________________________________________________
Esempio: Calcolare la tensione nominale ammissibile in modo che la massima deformazione elasto-plastica
di fondo intaglio di un elemento teso non superi un dato valore: εmax.amm.
Ipotesi: Il materiale ha un comportamento all'incirca elastico-perfettamente plastico con tensione di
snervamento pari a Sy.
Soluzione. Nell'ipotesi data le (a) diventano:
σ max ε max = k t2σ n ε n = k t2
σ n2
σ max = S y
E
;
da cui, risolvendo:
ε max = kt2
σ n, amm ≤
σ n2
ES y
;
1
ε max,amm ES y
kt
Ad esempio per un acciaio "dolce" (E=210 GPa, Sy = 240 MPa) con εmax,amm=0,3% ed un intaglio
caratterizzato da kt =3 si otterrebbe: σn⎜ε=0,3%= 130 MPa.
_______________________________________________________________________________________
Nei casi di sollecitazione ciclica si deve considerare, analogamente, il campo di variazione della tensione
nominale Δσn. Inoltre occorre determinare la curva ciclica tensione-deformazione del materiale5. Infine si
deve tenere conto del fatto che, durante la fase di scarico, il comportamento torna ad essere elastico. Con
queste precauzioni si possono determinare, tramite relazioni analoghe alle (a), i valori di Δσmax e Δεmax.
3.2. Fattore di partecipazione plastica
E' noto che nei casi di flessione (o di torsione) il momento che provoca la completa plasticizzazione di una
sezione è superiore al valore limite di proporzionalità. Quest'ultimo valore si ottiene ponendo: σmax,e = Sy
nella relazione di calcolo valida in campo elastico. La plasticità permette infatti la partecipazione, con
La risposta σ−ε di un materiale metallico caricato ciclicamente è diversa da quella della prova di trazione, per gli
opposti fenomeni dell'incrudimento ciclico (materiali ricotti) o dell'addolcimento ciclico (materiali trattati od incruditi).
5
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
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tensioni elevate σ → Sy , di zone della sezione che in campo elastico sono poco sollecitate. Ad esempio per
una trave inflessa a sezione rettangolare di lati B , H , se il materiale ha comportamento elastico perfettamente plastico (es.: acciaio "dolce") sarà:
M lim,e =
S y BH 2
6
;
Mp =
S y BH 2
4
= 1,5M lim, e
Il rapporto tra il momento flettente di completa plastizzazione Mp (o di formazione di una cerniera plastica)
ed il momento al limite dell'elasticità Mlim,e è detto fattore di partecipazione plastica:
Lf =
Mp
M lim,e
Nel caso della sezione rettangolare Lf=1,5. Per altre forme di sezione Lf sarà tanto più prossimo all'unità
quanto minore sarà il materiale posto in vicinanza dell'asse neutro (es.: sezione a doppio T con anima sottile:
Lf =1,1÷1,2); al contrario Lf sarà relativamente elevato se la maggior parte del materiale è in vicinanza
dell'asse neutro (es.: sezione circolare piena: Lf = 1,7 ; sezione a losanga sollecitata lungo la diagonale Lf ≥2).
Analoghe considerazioni valgono per il caso della torsione (es.: sezione anulare a parete sottile oppure,
all'opposto, sezione circolare piena).
Tra la massima tensione elastica, calcolata per il carico di completa plasticizzazione della sezione, e la
tensione limite di comportamento elastico vi sarà lo stesso rapporto che esiste tra le corrispondenti coppie,
com'è mostrato dalla figura seguente.
Tensioni con Mf = Mlim,e (limite di comportamento elastico)
LfSy
Sy
Sy
Tensioni nominali elastiche (fittizie) corrispondenti alla condizione: Mf = Mp
Perciò il massimo valore calcolato della tensione nominale elastica può superare alquanto il limite di
snervamento senza che si determini necessariamente il cedimento per collasso plastico di una trave inflessa.
Ciò sarà tanto più evidente quanto maggiore sarà il fattore di partecipazione plastica caratteristico della
sezione.
La completa plasticizzazione della sezione (con formazione di una cerniera plastica) si può infatti esprimere
scrivendo: σnom, max =LfSy .
Se la trave è vincolata in modo isostatico, non appena si verifica la completa plasticizzazione di una sezione
si ha il collasso completo (labilità →cinematismo "con forte attrito"). Se la trave (o la struttura) è iperstatica
il collasso avviene quando il numero e la disposizione delle "cerniere" sono tali da renderla labile. La ricerca
del carico minimo, che determina questa labilità, costituisce l'oggetto della "analisi limite" strutturale.
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3.3. Verifica statica convenzionale
Salvo i casi in cui occorra limitare la massima deformazione (vedi il precedente esempio), la verifica statica
consiste nel calcolare un coefficiente di sicurezza CS = Flim/Fmax. riferendosi ad un carico Flim di cedimento
ed al "sovraccarico"
Fmax più elevato. Si considerano sia le possibilità di cedimento per instabilità
dell'equilibrio elastico o elasto-plastico (es.: asta caricata di punta)6 sia quelle di collasso plastico sia quelle
di rottura vera e propria (frattura). Nella stima delle proprietà dei materiali si considerano tutti i fattori che
riducono la resistenza (es.: dimensioni). Data la dispersione dei dati sperimentali, se S è una resistenza
media e R l’affidabilità voluta, si usa un valore Slim dato da: Slim=SkR , con kR < 1.
Se vi è proporzionalità tra i carichi e le tensioni, per parti costruite con materiali duttili, vale quanto segue.
Per i casi di trazione, ove il cedimento finale è preceduto da marcate deformazioni plastiche con tensione
praticamente uniforme nella sezione: σ = σn = Sy, si può porre:
Flim . = S y A; Fmax = σ n, max A; CS =
Sy
σ n, max
Ciò è lecito anche se sono presenti intagli moderati; in alcuni di questi casi il cedimento con strizione della
sezione è ostacolato dal restante materiale prossimo all'intaglio (es.: maggiore resistenza apparente di un'asta
filettata d'acciaio duttile rispetto ad un'asta cilindrica di sezione pari a quella di nocciolo).
Nei casi di flessione o di torsione, si useranno gli opportuni fattori di partecipazione Lf o Lt, dipendenti sia
dalla forma della sezione resistente sia dall'andamento della legge σ−ε del materiale (vedi manuale). Per la
verifica si può porre, ricordando l'ipotesi di von Mises:
CS =
CS =
Lf Sy
per la flessione
σ n, max
Lt S ys
τ n, max
=
Lt S y
3τ n, max
per la torsione.
Per i materiali fragili (es.: ceramici) si ha Sy = SU . La frattura avviene quando la massima tensione
raggiunge il valore del carico di rottura SU 7. Mancando la plasticità, occorre tenere conto della eventuale
concentrazione di tensione elastica, data dal coefficiente kt , per eseguire la verifica di resistenza tramite la:
CS =
SU
kt ⋅ σ n, max
(materiale fragile) .
3.4 Verifica statica secondo i criteri della Meccanica della frattura
Nei componenti con difetti la frattura può aversi per propagazione di una fessura con tensione nominale di
trazione bassa. Anche i materiali duttili fessurati possono perciò rompersi in modo apparentemente fragile.
La verifica di un elemento fessurato soggetto ad un dato carico, specie se esso è costruito con materiali ad
alta resistenza ma poco "tenaci", richiede il calcolo del "fattore di intensificazione degli sforzi" (stress
6 I fenomeni di instabilità, sia globale (es.: flesso torsione di travi) sia locale (es.: imbozzamento) sono molti; in campo elastico il
calcolo dei relativi carichi critici si effettua con relazioni formalmente simili a quella del carico di punta.
7 Nei materiali fragili spesso la resistenza in trazione è inferiore di uno o più ordini di grandezza rispetto a quella in compressione;
inoltre la dispersione dei valori è elevata. In torsione, la verifica è più che soddisfatta ponendo: SUs=SU,trazione/√3. Vedi anche: criterio
di rottura di Mohr Coulomb e sue modificazioni.
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
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intensification factor, SIF)8. Tramite opportune prove con carichi lentamente crescenti se ne trova un valore
critico: KIC , dipendente essenzialmente dal materiale, che è detto "tenacità a frattura". Di regola si scrive:
K I = βσ n πc
(b)
Alcuni scrivono la (b) in questa altra forma: K I = (q c)σ n con q = β π .
Il coefficiente β dipende dal problema considerato; c è una dimensione caratteristica della fessura. Nel
caso di una fessura di dimensione 2c passante attraverso lo spessore di una lastra infinita tesa con tensione
nominale σ si trova β = 1.
L'indice I (primo) del fattore di intensificazione degli sforzi sta per: "primo modo di apertura" con
allontanamento dei lembi della fessura. Analoghe espressioni di K valgono per i due altri casi di apertura
(per scorrimento e per lacerazione), che qui per brevità non si considerano.
Il coefficiente β dipende:
•
dalla posizione della fessura: ad esempio per fessure poste sul bordo di una lastra semi-infinita in
trazione si trova: β=1,12 ;
•
dalla dimensione relativa del legamento resistente; ad esempio nel caso di una lastra tesa di larghezza
finita L con fessura 2c trasversale e passante (area legamento = (L−2c)t) si trova:
β = sec
•
πc
L
≅ 1 + 0,25
c
⎛c⎞
− 1,15⎜ ⎟
L
⎝ L⎠
2
da altri aspetti specifici del problema.
Di regola, considerando vari aspetti, occorre calcolare:
β eq = ∏ β i
Ad esempio per una fessura posta sul bordo di un foro di diametro d in una lastra tesa se d>>c si può porre:
β eq = β 1 ⋅ β 2 . Si porrà β1= kt per tenere conto della concentrazione di tensione dovuta al foro e β 2 ≅ 112
,
perché la fessura si trova sul bordo della zona tesa.
Il coefficiente β può variare da punto a punto lungo il fronte di una fessura. Ad esempio per fessura non
passante di forma semiellittica in pianta, si trova che
β
è maggiore nella zona ove la fessura è più
profonda.
Il calcolo di KI può basarsi su vari risultati teorici noti, come nei precedenti esempi. Se necessario, date le
ipotesi di elasticità lineare, si può usare il principio di sovrapposizione degli effetti : se A e B sono due casi
noti, essendo lecito porre: σ A + σ B = σ ris si può anche scrivere: K I( A ) + K I( B ) = K I( ris ) .
Elementi fessurati con bassi carichi statici di trazione possono rompersi dopo qualche tempo per effetto della
graduale aggressione dell'ambiente, che determina un avanzamento della fessura. Ciò può manifestarsi anche
in ambienti debolmente corrosivi.
Fratture per tensocorrosione (stress corrosion cracking, SCC) sono talvolta provocate da stati di coazione di
trazione, che agiscono in modo analogo ad un carico statico.
Per ogni accoppiamento materiale / ambiente occorre perciò definire un valore limite di tenacità a frattura
per tensocorrosione: KISCC < KIC, da utilizzare per la verifica.
8 Da non confondere con il coefficiente adimensionale di concentrazione della tensione elastica k (stress concentration
t
factor SCF detto anche fattore di forma o fattore di concentrazione delle tensioni teorico).
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
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Seguendo l'approccio della Meccanica della frattura lineare detta c una dimensione caratteristica della
fessura9, β un coefficiente geometrico caratteristico del problema e KC la tenacità a frattura del materiale,
si può quindi eseguire la verifica di resistenza a trazione ponendo:
KC
KC
K SCC
=
oppure, con tensocorro sione : CS =
; K SCC < K c
K max βσ n πc
βσ n πc
CS =
3.5 – Verifica a scorrimento viscoso (creep)
Se il materiale ha un comportamento visco-elastico (materie plastiche non rinforzate, metalli a temperatura
T ≥ ¼Tfusione) le deformazioni tendono a crescere con carichi costanti. La figura mostra tipici andamenti
osservati su acciai con prove di "scorrimento viscoso (creep) a caldo" in condizioni isoterme.
Allungamenti
Rottura dilazionata
Modello di comportamento
Tensioni nominali crescenti
σn=cost.
εtot=εe.+εcreep
Creep: primario
secondario
terziario
Tempi (settimane, mesi, anni)
t
tR
La verifica richiede che la tensione sia inferiore ad un limite cui corrisponderebbe, su un periodo assegnato
(es.: durata di progetto × coefficiente di sicurezza sulle durate) una delle seguenti situazioni:
1. deformazioni totali o inelastiche (di creep) pari ad un limite ammissibile (es.: aumento della lunghezza di
un'asta costantemente tesa: vedi figura);
oppure:
2. rottura dilazionata al termine di un dato periodo, convenientemente superiore a quello d'esercizio.
Un’importante conseguenza del fenomeno dello scorrimento viscoso consiste nel progressivo rilassamento
(“distensione”) di stati di coazione elastica. Essi sono originati sia intenzionalmente, tramite forzamento (es.:
accoppiamenti albero mozzo, serraggio di bulloneria) o con trattamenti specifici (es.: pallinatura), sia
accidentalmente (es.: coazioni nelle parti fuse o saldate). I trattamenti di “distensione” delle tensioni residue
si possono perciò effettuare a temperature poco elevate, tali però da favorire il fenomeno del creep.
Inoltre, a causa del comportamento non lineare del materiale, le distribuzioni di tensione differiscono da
quelle calcolate con il modello elastico lineare. Ad esempio nel caso della flessione la distribuzione delle
tensioni in regime di creep è analoga a quella già vista al punto 3.2 a proposito dell’effetto della plasticità.
La rottura per creep è causata da un diffuso danneggiamento interno del materiale (micro vuoti o cricche).
9 Può trattarsi di una fessura rilevata dai mezzi di controllo (es.: ultrasuoni) oppure presunta (es.: di dimensione non rilevabile).
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
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§ 4 - VERIFICHE A FATICA
Integrazione dei capp.6 e 8 del testo di Juvinall e Marshek già citato
4.1. Nucleazione di fessure per fatica
In generale, il numero di cicli a rottura NR di un elemento soggetto a fatica è dato da: NR = Nn+Np dove Nn
è il numero di cicli occorrente per la nucleazione di una fessura “significativa” (per l’ingegnere è una fessura
dell’ordine dei millimetri) e Np è il numero di cicli di “propagazione stabile” per cui la fessura, avanzando
ciclo dopo ciclo, assume la dimensione critica che determina la frattura finale “di schianto”.
In vari casi si può porre Nn = 0 (es.: strutture saldate con difetti noti o ipotizzati). Invece in componenti
meccanici di piccole o medie dimensioni accuratamente controllati durante la fabbricazione (es.: dentature)
può risultare Np<<Nn e pertanto si può trascurare Np .
Nei componenti meccanici lo stato di sollecitazione è di regola elastico e pertanto la verifica basata sul
calcolo delle tensioni elastiche e sulle curve S−N o sul limite di fatica Sn del materiale può essere sufficiente.
In altri casi (es.: strutture aeronautiche) sono possibili limitate deformazioni plastiche, nelle zone di
concentrazione della tensione, sotto l’azione di carichi più elevati (es.: atterraggio, raffiche). Ciò influisce
sull’andamento della sollecitazione nei cicli successivi (v. esempio). In questi casi si adotta un tipo di
verifica a fatica basato non solo sulle tensioni, ma anche sulle deformazioni.
______________________________________________________________________________________
Esempio Si costruiscono due provini a forma di lastra con foro centrale (vedi § 3.1) e si sottopongono ad
una prova di fatica con sollecitazione alternata, con ampiezza di sollecitazione nominale σa,n tale da
rimanere in campo elastico. Prima della prova, tuttavia, i due provini vengono sollecitati una sola volta con
una tensione nominale σ0 tale da produrre una plasticizzazione della zona di intaglio, con deformazione
εmax = 0,3%. Un provino è plasticizzato in trazione, l’altro provino, invece, in compressione. Si richiede di
definire le tensioni σa , σm che saranno presenti nelle zone d’intaglio, durante la prova di fatica.
Dati
Tensione nominale applicata prima della prova: σ’0 = ±130 MPa
Ampiezza della tensione alternata nominale di prova: σa,n = 30 MPa.
Materiale elastico – perfettamente plastico con carico di snervamento: Sy = 240 MPa .
Il comportamento σ−ε del materiale è identico in trazione e compressione.
Coefficiente teorico di concentrazione di tensione kt = 3.
Soluzione Si consideri il provino (1). Il carico iniziale è applicato in trazione, plasticizzando il
materiale, e viene quindi rimosso. Dall’esempio a pag. 16, si sa di già che nella zona di fondo intaglio si
raggiunge inizialmente una tensione iniziale pari a Sy e che la deformazione massima è pari a εmax = 0,3%.
Durante lo scarico si manifestano tensioni residue autoequilibrate. Per rappresentare questa
condizione, si può sovrapporre idealmente al carico esterno ed allo stato di sollecitazione elasto plastico
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
21 di 71
iniziale, un carico fittizio uguale ed opposto ed uno stato di tensione “ di scarico”. La somma di questi due
stati di tensione ha risultante nulla (elemento scarico) e corrisponde allo stato di tensione residuo.
In generale, si può applicare il criterio di Neuber anche per studiare la sollecitazione indotta da
questo carico fittizio, partendo, come detto sopra, dalla condizione di sollecitazione indotta dal carico reale.
Questa corrisponde, come si è detto, al punto A di coordinate σmax = +Sy , εmax= ε0 = +0,3% in figura ed alla
tensione nominale σn0 = 130 MPa. Usando il criterio di Neuber questo punto può essere preso come origine
di un sistema di coordinate ausiliario, tenendo presente che durante lo scarico dal punto A=O’, il materiale
mostrerà un campo elastico di estensione Δσe,max = 2Sy (scarico della trazione iniziale più massima
compressione elastica).
Per convincersi del significato di porre l’origine in O’ basti pensare che nel caso in cui non fosse
stato precedentemente raggiunto lo snervamento (ad esempio un materiale con tensione di snervamento più
alta), il punto di partenza della fase di scarico sarebbe stato (v. figura a pagina seguente) A*, per cui, essendo
lo scarico rappresentato da un segmento pari ad AB tracciato a partire da A* si sarebbe ritornati all’origine
O. Invece, per effetto della plasticità, che limita la tensione al valore dello snervamento, al termine della fase
di scarico qui compare una tensione residua di compressione.
Si può così calcolare, la variazione di sollecitazione massima prodotta dal carico fittizio. La
corrispondente variazione della tensione nominale sarà perciò: Δσn = ⎜σn0 ⎜. Perciò: Δσ = ktΔσn = EΔε se:
Δσ < 2Sy (campo di elasticità lineare); diversamente:
Δσ = 2Sy e Δε si potrà calcolare tramite la
relazione di Neuber. Qui si trova:
Δσ = ktσn0 = 3⋅130[MPa]= 390 MPa .
Lo scarico, infatti, avviene elasticamente, essendo Δσ < 2Sy. Pertanto a fine scarico (punto B in figura) vi
sarà una tensione residua (di compressione):
σr= Sy−Δσ = 240 [MPa]−390[MPa] = −146 MPa.
Si noti, nella figura seguente, che se la deformazione non supera il valore: εlim=2Sy/E (deformazione
limite di assestamento elastico) è concettualmente possibile annullarla senza superare il limite del campo
elastico. In tale caso la tensione residua risulterebbe pari a σr = − Sy = 240 MPa.
Nel caso del provino (2), si trova in modo analogo che la fase di scarico, dopo l’applicazione del
carico iniziale di compressione, produce una tensione residua di trazione σr=146 MPa.
Quando si iniziano le prove di fatica, il materiale della zona di fondo intaglio dei due provini è
sottoposto ad una tensione residua rispettivamente in compressione e in trazione.
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
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ktσn=
390
MPa
σ
A*
σε = (ktσn)2/E
A = O’
SY
ε
O
εlim
ε0
ΔσΔε = (ktΔσn)2/Ε
σr =
−146
MPa
B
− SY
Supponendo di iniziare la prova di fatica del provino (1) con un carico di compressione (vedi figura
seguente),
la
tensione
elastica
nella
zona
d’intaglio
sarà:
σe,min
=
σr
+
kt (−σa,n)
=
=−146[MPa]+3(−30[MPa])= −236 MPa. Il materiale resta in campo elastico ed in tutti i cicli successivi è
sollecitato a fatica con ampiezza σa(1) = (σe,max−σe,min)/2 = 90 MPa . La tensione residua resta invariata, e
corrisponde ad una tensione media di valore σm(1) = − 146 MPa.
Nel provino (2) si ha invece: tensione residua σr = 146 MPa e perciò la successiva sollecitazione di
fatica ha una tensione di ampiezza σa(2) = 90 MPa e un valore medio σm(2) = 146 MPa.
Riportando i punti rappresentativi nel piano σa, σm e tracciando i limiti delle condizioni di resistenza
indefinita secondo il criterio di Goodman, (diagramma di Haigh, pag. seguente) si nota che il provino (2)
probabilmente si romperà, mentre il provino (1) può resistere indefinitamente.
Tutto ciò sottolinea la dipendenza che sussiste tra lo stato di sollecitazione finale e la sequenza di
applicazione del carico, qualora si oltrepassi localmente il limite elastico.
Dispense di. Elementi costruttivi delle macchine - a.a. 2008-2009
23 di 71
σ
σ
σ
ε
σ
ε
t
provino (1)
σa
t
provino (2)
2
1
σm
______________________________________________________________________________________
Tramite software di analisi strutturale non lineare (modello elastico + modello plastico) o tramite il criterio di
Neuber, è possibile definire gli effetti della plasticità anche con sollecitazioni variabili, affaticanti, ricavando
i valori di tensione e di deformazione in funzione dei carichi applicati al componente e della loro sequenza
temporale. Si trovano così i valori di Δε e i valori di σmax e σmin da usare nelle verifiche.
Con apparati di prova più evoluti di quelli tradizionali si effettuano prove su campioni del materiale in
controllo di deformazione, ottenendo i dati di resistenza a fatica Δε – NR , da interpretare statisticamente.
Con la stessa tecnica di prova si trovano inoltre le curve σ−ε (o Δσ−Δε) in condizioni di sollecitazione
ciclica, da usare nei calcoli. La curva σ−ε ciclica di un materiale è infatti diversa da quella monotona, data
dalla prova di trazione, per effetto di fenomeni di addolcimento ciclico (materiali metallici trattati od
incruditi) o di incrudimento ciclico (materiali metallici ricotti).
La rappresentazione della resistenza a fatica nel piano Δε/2 – NR
(in coordinate bilogaritmiche ed
evidenziando le probabilità di rottura) fornisce in un unico grafico sia la resistenza nel campo delle medie e
brevi durate, dove la curva S−N o di Wöhler perde significato, sia nel campo delle grandi durate. Ponendo
Δεe = Δεp resta determinato convenzionalmente il numero di cicli “di transizione” Ntr tra il campo della
fatica “oligociclica” (Low Cycle Fatigue, LCF) e quello della resistenza a termine con valori di
NR
relativamente grandi o di resistenza indefinita (High Cycle Fatigue, HCF).
Nel campo delle resistenze a termine (NR finito), la curva Δε/2 − NR è approssimata tramite la combinazione
della legge di Basquin (1910), relativa alla componente elastica della deformazione, con l’analoga legge di
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Manson−Coffin (c.a 1950) per la componente plastica10. Se la tensione media è nulla (ciclo di sollecitazione
completamente alternato), in condizioni ambientali ordinarie, si avrà:
Δε Δε e Δε p σ ' f −b
=
+
=
N R + ε ' f N R− c
2
2
2
E
Il valore di σ'f , ottenuto estrapolando la curva S−N per NR → 1, è proporzionale alla resistenza statica del
materiale. L'esponente b (se i provini sono lisci e privi di intagli) varia poco da un materiale all'altro,
essendo b = 0,1÷0.12. Il valore di ε'f coincide, approssimativamente, con quello della vera deformazione a
rottura statica εR del materiale. Anche l’esponente c dipende poco dal materiale, essendo c = 0,5÷0,6.
L’effetto della tensione media σm sulla resistenza può essere modellato, secondo Morrow (v. figura), dalla:
Δε σ ' f −σ m − b
=
N R + ε ' f N R− c .
2
E
Δε / 2
[log]
ε'f
Δεp
σ'f /E
Δε
(σ'f− σm)/E
σm
1
Ntr
Δεe
NL
NR [log]
.
L’effetto dei fattori che tendono a ridurre la resistenza a fatica dei pezzi (es.: finitura superficiale) può essere
tenuto in conto tramite opportune modifiche dell’esponente b della legge di Basquin. Si noti che ai fini di
una verifica, l’effetto di concentrazione è già considerato tramite il calcolo del valore locale di Δε .
4.3. Avanzamento delle fessure e rottura dilazionata per fatica
Quale che sia il tipo di approccio, nel caso di durata finita si prevede la nucleazione di una fessura
“significativa”, di dimensioni c0 paragonabili a quella (5÷10 mm) della sezione di un provino analogamente
sollecitato, entro un certo numero di cicli Nn e con una data probabilità.
In certi casi può essere più realistico o preferibile ritenere che una fessura di dimensioni c0 non rilevabili dal
metodo di controllo adottato sia comunque presente nel manufatto.
10
Talvolta si usa indicare il numero delle inversioni del carico 2Nf in luogo di NR.
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25 di 71
Una volta che il valore di c0 sia fissato, tramite la Meccanica della frattura è possibile calcolare il numero di
cicli Np che occorrono affinché la fessura acquisti una dimensione tale da determinare la rottura “di
schianto” con un dato carico applicato (es.: sovraccarico accidentale massimo di progetto).
L'azione di carichi periodicamente ripetuti tende a far avanzare il vertice di una fessura. Ciò avviene, per
piccoli avanzamenti, ad ogni fase di trazione del ciclo di sollecitazione.
Il rateo (o velocità) di avanzamento per ciclo dc/dN (crack growth rate) dipende dal campo di variazione del
fattore di intensità degli sforzi:
dc
= f (ΔK ) = f ( βΔσ n om πc ); essendo : ΔK = K max − K min
dN
Si noti che durante l'avanzamento della fessura il valore di ΔK aumenta anche se Δσnom resta costante,
perché variano sia c che β=β(c).
I dati sperimentali individuano tipiche curve "ad S" in un piano con coordinate bi logaritmiche Δc/ΔN - ΔK
(v. figura a pagina seguente).
Si può definire un valore "di soglia" ΔKth (da: threshold) sotto al quale "grandi" fessure poco sollecitate non
mostrano alcun avanzamento. Si noti tuttavia che "piccole" fessure molto sollecitate possono avanzare anche
se ΔK<ΔKth. Per piccole fessure si usa perciò porre ceff=c+c* dove c* =1÷1000 μm dipende dal materiale.
Con carichi periodici di ampiezza Δσn costante, il tratto centrale della curva “ad S” è approssimato dalla:
dc
= C (ΔK ) n
dN
(d)
(legge di Paris, ca. 1960) ove le costanti C ed n dipendono dal materiale, dalle condizioni ambientali e dal
rapporto Kmin/Kmax. Nella Tabella a pagina seguente sono riportati valori indicativi delle costanti C ed n per
alcuni materiali metallici, ricavati da prove con carichi variabili da zero ad un valore massimo costante, in
ambiente ordinario di laboratorio.
Detta c0 la dimensione iniziale di una fessura e ccr quella critica per la resistenza a rottura, sarà:
NR = ∫
ccr
c0
ccr
dc
dc
=∫
n
c0
C (ΔK )
C βΔσ n om πc
(
)
n
Poiché β=β(c), l'integrazione, a rigore, si dovrebbe fare per via numerica.
Carichi di compressione tendono a chiudere la fessura; perciò in prima approssimazione si può ignorare
l'eventuale parte in compressione di un dato andamento della tensione nominale. In generale occorre stimare
un ΔKefficace corrispondente alla fase di apertura della fessura. Sovraccarichi o variazioni complesse del
carico possono produrre coazioni residue al vertice della fessura; ciò modifica sia il valore di ΔKefficace sia il
rateo d'avanzamento.
Con Ksuperiore→KC la velocità di avanzamento aumenta. L'ultimo ciclo di sollecitazione provoca la quasi
istantanea propagazione della fessura e la frattura del legamento resistente, come nel caso statico.
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dc
dN
Velocità di
avanzamento
Kmin /Kmax
Campo di validità
della legge di Paris
Piccole fessure
(small cracks)
molto sollecitate
ΔKsoglia
ΔK
Kmax= Kcritico
Parametri dell'avanzamento di fessure per fatica (da Gugliotta, c.a 1990)
______________________________________________________________________________
Materiali
Costanti della legge di Paris
ΔKth
n
C( ×10 −12 )
MPa m
Acciaio ordinario da costruzione
3,3
2,4
3,2
Acciaio basso legato da bonifica, trattato
3,3
4,6
6÷2,5
Acciaio ad alta resistenza maraging
3,0
23,3
2,7
Lega Al-Zn bonificata
3,7
126,0
n.d.
Lega Al-Cu bonificata
3,7
40,0
1,7
Lega Ti-Al
3,8
9,6
n.d.
Ambiente: aria normalmente asciutta a circa 20°C; ΔK misurati in MPa m ; lunghezza fessura c in metri
______________________________________________________________________________________________
Esempio Si vuole calcolare la velocità di avanzamento di una fessura passante posta al centro di una lamiera
che viene ripetutamente tesa da un carico variabile tra zero ed un valore F noto.
Dati:
Larghezza e spessore della lamiera:
L = 500mm, t = 5 mm
Dimensione iniziale della fessura:
2c= 10 mm
Tensione nominale massima
σ0= F/(Lt) = Δσ0 = 200 MPa
Tensione di snervamento:
Sy = 300 MPa
Tenacità a frattura (con spessore 5 mm):K1C = 50 MPa(m)0,5
Costante della legge di Paris
C = 40⋅10-12 (con avanzamento fessura in m/ciclo)
Esponente della legge di Paris
n=3
Ipotesi: Si assume la validità della legge di Paris (d) (zona centrale della curva ad S).
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Si assume che il cedimento finale possa avvenire per propagazione improvvisa della fessura quando
Kmax=K1C oppure quando la tensione nominale nel legamento è pari alla tensione di snervamento.
Soluzione:
1. Si impostano i dati iniziali.
2. Si imposta l'avanzamento della fessura corrispondente ad ogni passo di integrazione; es.: Δci=10%ci
3. Si calcola il valore di (ΔK)i per il valore corrente della fessura e, quindi, per il valore corrente del
coefficiente βi=β(ci) dato dalla relazione (c).
4. Si determina con la legge di Paris (c) il valore corrente del rateo di avanzamento per ciclo (dc/dN)i
5. Si calcola il numero di cicli ΔNi occorrente affinché, con questo valore del rateo, la fessura avanzi, da
entrambi i lati, della quantità Δci; sarà: ΔNi=Δci/(dc/dN)i
6. Si aggiorna il conteggio del numero di cicli ponendo: Ni+1=Ni+ΔNi
7. Si aggiorna la dimensione corrente della fessura ci+1=ci+Δci
8. Si verifica che sia: Kmax,i+1<K1C ed inoltre: σmax,i+1=σo(L−2ci+1)/L < Sy
9. Si riprende dal passo n.3 oppure si indica il numero di cicli a rottura ed il modo di cedimento.
Applicando tale procedura i valori iniziali saranno:
c0=0,005 m; β0=1,002 Δc0=0,0005 m ΔK0=β0σ0√πc0 = 25,1 MPa(m)0,5
Il rateo di avanzamento corrispondente sarà:
⎛ dc ⎞
3
n
−12
⎜
⎟ = CΔK o = 40 ⋅ 10 ⋅ (25,1) = 0,63μm / ciclo
⎝ dN ⎠ 0
L'avanzamento Δc0, pari a 10%c0 = 0,5 mm si otterrebbe dopo: ΔN0 = N0 = 788 cicli
Analogamente, al passo successivo:
c1=0,0055 m; β1=1,003 Δc1=0,00055 m ΔK0=β1σ0√πc1=26,3MPa(m)0,5 e ΔN1=750 cicli.
Il conteggio dei cicli fornirà: N1=N0+ΔN1 =1538 cicli.
Si determina così la legge di avanzamento c=f(N) in figura. La frattura è prevista tra 8000 e 9000 cicli.
Avanzamento fessura
50
Tratto finale
curva ad S
e frattura
(Kmax=K1C)
2c
45
Dimensioni della fessura [mm]
40
35
Avanzamento con
cicli di ampiezza
costante, secondo
la legge di Paris
30
25
2c
20
15
10
5
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Numero di cicli di fatica
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10000
N
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N.2
Dato il cilindro idro-pneumatico indicato in figura, supposto funzionante con moto lento alternativo:
A) Completare, indicando le forze o pressioni esterne ed interne, gli schemi di equilibrio sia dell'assieme, sia
dei suoi componenti.
Si considerino separatamente le condizioni di pressurizzazione della camera di sinistra che di destra.
A1) Equilibrio dell'assieme
A2) Equilibrio del corpo principale e del coperchio
A3) Equilibrio dello stelo e del pistone
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B) Tracciare le linee di forza relativamente ai componenti principali (corpo cilindro, stelo, ecc.)
relativamente alle due condizioni di funzionamento
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Suggerimenti per la soluzione
Equilibrio dell'assieme
Ipotesi. a) Carico trasversale "parassita" dovuto ad errore allineamento od altre cause.
b) I bulloni NON sono precaricati
c) I carichi introdotti tramite le tubazioni d'alimentazione sono trascurabili.
Condizione di carico: cilindro alimentato dalla camera di destra.
Caso 1 La retta d'azione della risultante cade nel perimetro delimitato dai bulloni di fissaggio (situazione
normale). Per ipotesi i bulloni NON sono preserrati e perciò si comportano come molle: Fb,i=kΔi. , ove k è
la costante elastica della molla/bullone (k≈EA/l) e Δi il suo allungamento. Imponendo l'equilibrio si trovano
queste forze assiali, che saranno più elevate sui bulloni vicini alla retta d'azione della risultante. La
componente orizzontale produrrebbe forze di taglio sui bulloni.
peso
Caso 2 La retta d'azione della risultante è eccentrica rispetto al perimetro suddetto (situazione di impiego
scorretto del cilindro, per le eccessive sollecitazioni dell'asta e per l'usura di boccola, cilindro e pistone).
Nell'ipotesi che la flangia ruoti rigidamente intorno all'estremità A si determinano le forze esterne Fb,i agenti
sui bulloni e quella tra piastra e flangia in A imponendo sia condizioni d'equilibrio sia di congruenza sulle
deformazioni. Infatti sarà: Fb,i=kΔi=kθdi, dove θ è la rotazione della flangia e di la distanza del bullone
dall'asse A-A di rotazione. Si conclude che se tutti i bulloni sono uguali: Fb,i∝ di.
La componente orizzontale può essere equilibrata dall'attrito tra flangia e piastra in A. Diversamente si
produrrà uno scorrimento ed una sollecitazione di taglio sui bulloni.
θ
A
Si noti che di regola i bulloni sono preserrati . In tale caso questo schema non sarebbe più corretto. Tuttavia
esso fornisce una stima approssimata delle forze esterne che modificano il precarico di trazione dei bulloni
più caricati (si veda, a questo proposito il Cap.10 del testo di Juvinall e Marshek).
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Equilibrio del corpo principale e del coperchio ed andamento delle linee di forza
Ipotesi: si considerano trascurabili sia l'errore di allineamento sia il peso proprio
Caso a) fluido in pressione nella camera di destra
Caso b) fluido in pressione nella camera di sinistra
Equilibrio dello stelo e del pistone ed andamento delle linee di forza
In alto il caso con fluido in pressione nella camera di destra, in basso nell'altro caso.
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N.3
Un'apparecchiatura elettrica in tensione è sostenuta da una colonna verticale di porcellana isolante.
La forma della colonna è cilindrica con alettature. Queste ultime determinano una concentrazione di
tensione, di cui è noto il coefficiente kt.
Durante il funzionamento, sull'estremità della colonna agisce saltuariamente una forza F con
eccentricità e rispetto all'asse della colonna, la cui azioni si somma a quella del peso proprio P
dell'apparecchiatura.
Conoscendo sia le resistenze medie del materiale sia le deviazioni standard (distribuzione
Gaussiana), si calcoli il coefficiente di sicurezza a rottura statica, assumendo una resistenza limite di
progetto con probabilità di rottura pari a circa una su 1000 (affidabilità 99,9%).
Dati:
• P = 2000 N
• F = 1000 N
• e=1m
• D= 100 mm
• Carico unitario medio di rottura in trazione SU+ = 50 MPa
• Carico unitario medio di rottura in compressione SU- = 250 MPa
• Dispersione delle resistenze: σdev.standard = 10% (SU+).
P
F
e
D
Ipotesi
Si suppone che il peso proprio sia determinato con esattezza e che il sovraccarico F corrisponda al
massimo valore possibile nel funzionamento. Inoltre si suppongono nulli i carichi d'altra origine
(es.: spinta del vento).
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Soluzione
Lo sforzo normale di compressione ed il momento flettente nella sezione resistente di diametro D
valgono:
N-=(P+F)=3000 newton
Mf=F⋅e=1000[N]1[m]=1000 Nm
Le corrispondenti tensioni nominali sono date dalle:
4N
4 ⋅ 3000[ N ]
σ n, N = 2 =
= 0,38MPa
πD π ⋅ 1002 [mm2 ]
32M f 32 ⋅ 1000 ⋅ 103[ Nmm]
σ n, M f =
=
= 10,2MPa
πD 3
π ⋅ 1003[mm 2 ]
Considerando la concentrazione di tensione (materiale fragile) si determinano le tensioni massime
nelle zone tesa e compressa:
σ max + = kt (σ n , M f − σ n , N ) = 19,6 MPa
σ max + = kt (σ n , M + σ n , N ) = 21,2MPa
f
Nota: di regola il coefficiente di concentrazione a sforzo normale è leggermente superiore di quello
a flessione. Per semplicità qui si considera un solo valore per entrambi i casi.
La verifica a rottura si effettua nella zona tesa, imponendo una data probabilità di rottura o
d'affidabilità (= probabilità di NON rottura) e determinando di conseguenza una resistenza "di
progetto".
Con distribuzioni Gaussiane (vedi Fig.6.20 a pag.236 del testo di Juvinall e Marshek) affinché la
probabilità di rottura sia uno su 1000 casi occorre sottrarre alla resistenza media un valore pari a
circa 3,1 volte la deviazione standard. Perciò:
S progetto = SU + − 3,1 ⋅ σ dev.standard = SU + (1 − 3,1
σ dev.standard
) = 50[ MPa](1 − 3,1 ⋅ 0,1) = 34,5MPa
SU +
Il coefficiente di sicurezza a rottura fragile nella zona tesa sarà:
CS =
S progetto
k tσ nom, max
=
34,5[ MPa]
= 1,8
19,6[ MPa]
Commento
In generale si può scrivere:
Sprogetto=Smedia⋅ Caffidabilità
con: Caffidabilità = 1-k(σdeviazione standard/Svalore medio)
Il valore di k è fissato in base all'affidabilità (es.: con affidabilità ≈ 99%, dalla Gaussiana →
k≈2,4).
I coefficienti d'affidabilità riportati nella Tab.15.3 a pag. 626 del testo citato sono calcolati in questo
modo, assumendo una deviazione standard pari allo 8% del valore medio.
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N.4
Una parte di una struttura meccanica, costruita con materiale duttile, è assimilabile ad una lastra
tesa in una direzione.
Si presume che al centro di questa lastra vi sia una fessura passante disposta perpendicolarmente al
carico. Si sa che la tenacità a frattura del materiale è relativamente ridotta (es.: bassa temperatura).
Sia w la larghezza di questa lastra, t il suo spessore e c la generica semilunghezza della fessura.
Si vuole calcolare il valore critico della tensione uniforme di trazione σ0 in funzione della
lunghezza 2c della fessura.
Dati:
• w = 1000 mm
• t = 10 mm
• Carico unitario medio di snervamento Sy = 200 MPa
• Tenacità a frattura media (determinata per lo spessore t) K1C = 50 MPa√m
• Coefficiente d'affidabilità del materiale: Caffidabilità=0,81
Si ricorda che: Caffidabilità = 1-k(σdeviazione standard/Svalore medio) ove k è fissato in base all'affidabilità
richiesta.
2c
t
w
σ0
Ipotesi
Si adotta la Meccanica della frattura lineare elastica per il caso di propagazione della fessura.
Si usa il modello elastico - perfettamente plastico per il caso di collasso del legamento resistente.
Soluzione
Lo sforzo di trazione complessivamente sopportato dalla lastra si può esprimere come segue:
N = σ 0 wt = σ legamento ( w − 2c)t
La condizione critica di cedimento plastico si ha quando: σlegamento = Sy perciò:
( w − 2c)
( w − 2c)
σ 0, cedimento = S y , progetto
= S y , media ⋅ Caffidabilità
w
w
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Per quanto riguarda la frattura, dalla definizione del fattore d'intensificazione degli sforzi nel primo
modo d'apertura:
K1C = β geometriaσ 0, frattura πc
si ricava la tensione di trazione critica di frattura:
K
K
⋅C
σ 0, frattura = 1C , progetto = 1C , media affidabilità
β geometria πc
β geometria πc
Nel caso: 2c<<w si può porre βgeometria ≈1.
Nota: al crescere della lunghezza fessura→ β > 1; la differenza è sensibile quando la lunghezza 2c
della fessura è paragonabile alla larghezza w della lastra. Qui, per semplicità, β=1.
Riportando le due relazioni nel grafico in figura s'individua un'area di sicurezza. Quest'area, che
cautelativamente si usa delimitare tracciando le tangenti all'iperbole, si modifica con le proprietà del
materiale e con la larghezza della lastra.
Tensione
nominale
critica
σ0,critica
[MPa]
200 = Sy
162 =
K1CCaff=40,5MPa√m
SyCaffidabilità
σ0=SyCaff(w-2c)/w
100
σ0=K1CCaff /√πc
Area di
sicurezza
100
100
c=w/2
200
500
Semilunghezza della fessura [mm]
Commento
La resistenza della struttura si riduce grandemente al crescere della fessura (es.: per corrosione).
Il limite superiore dell’area di sicurezza definisce la “curva di resistenza residua” dell’elemento.
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N.5
Un albero d'acciaio da bonifica, di cui interessa verificare la sezione critica in figura, può essere
soggetto a sollecitazioni di:
a) trazione costante e flessione rotante;
b) torsione costante e flessione rotante.
Si richiedono i valori del coefficiente di sicurezza per durata infinita, assumendo valori di resistenza
del materiale corrispondenti ad una probabilità di rottura su 10000 (affidabilità 99,99%).
Dati:
• D1 = 65 mm; D2= 55 mm
• dintaglio= 50 mm
• Rintaglio=2,5 mm, finitura come in figura.
• Momento flettente costante Mf = 500 Nm
• Momento torcente costante Mt = 500 Nm
• Sforzo normale
F = 100 kN
• Materiale:
• Tensione media di rottura statica SU = 1000 MPa
• Tensione media di snervamento SY = 850 MPa
• Tensione media limite di fatica alternata: S'n = 500 MPa
• Deviazione standard sui suddetti valori: 8% del valore medio.
1
con a ≈ 0,1 mm
• Fattore di sensibilità all'intaglio a fatica: q =
a
1+
Rint
• La velocità di rotazione ω non è particolarmente elevata
• Ambiente: interno macchina lubrificata, temperatura < 70°C.
• Non vi sono tensioni residue significative nel pezzo.
ω
Mt
0,8
Mf
D1
dint.
D2
F
3
0,8
Rint.
Ipotesi
Si adotta il metodo delle tensioni nominali.
I coefficienti di concentrazione delle tensioni elastiche sono stimati in base alle figg. 4.35 e 4.36 del
testo di Juvinall e Marshek.
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Soluzione
La resistenza indefinita a fatica del materiale del pezzo, con sollecitazione monoassiale alternata, è
data dalla:
Sn=S'nCLCSCGCR
ove:
CL = 1
CS = 0,7 (finitura: lavorazione con macchina utensile, vedi fig. 8.13 del testo citato)
CG = 0,85 (vedi Tab.8.1 del testo citato)
CR = (1−k(σ /S'n)) = 0,7 (con affidabilità 99,99% → k ≈ 3,75 (v. fig.6.20 testo citato)).
Si ottiene:
Sn=208 MPa
Le massime tensioni nominali di flessione, di torsione e di trazione nella zona d'intaglio del pezzo
sono date dalle:
M c 32M f
M r 16M t
F
4F
; τ n ,t = t =
; σ n, N = = 2
σ n, f = f =
3
3
J
J0
A πdint
πdint
πdint
La prima relazione dà l'ampiezza del campo di variazione della tensione di flessione rotante. Le
altre due riguardano le tensioni medie (costanti) rispettivamente di torsione e di trazione.
I coefficienti d'effetto d'intaglio sono calcolati tramite la:
k f , j = 1 + q(k t , j − 1)
ove q è il fattore di sensibilità all'intaglio del materiale (vedi dati del problema).
Nella seguente tabella sono riportati i valori calcolati nella sezione d'intaglio dint = 50 mm:
Flessione
Torsione
Trazione
Tensioni nominali
40,7 MPa
20,4 MPa
50,9 MPa
kf
2
1,5
2,1
kt
2,1
1,6
2,2
Tensioni di progetto
83,8 MPa
32,1 MPa
109,7 MPa
In entrambi i casi (a) e (b) se si calcola la tensione equivalente di von Mises per i valori massimi del
carico si ottiene un valore inferiore alla tensione di snervamento. Si utilizzano perciò i coefficienti
d'effetto d'intaglio anche per il calcolo delle tensioni medie.
In entrambi i casi si determinano i coefficienti di sicurezza CS usando il criterio di Goodman:
1
CS =
σa σm
+
S n SU
Ci si riporta ad un caso monoassiale con il criterio di von Mises per il calcolo dell'ampiezza della
tensione e, nel caso (b), usando il criterio di Galileo-Rankine per la tensione media equivalente:
σ a , eq = σ a2 + 3τ a2 = k f , f ⋅ σ n, f
σm
2
⎛σ ⎞
+ ⎜ m ⎟ + τ m2 = k f ,t ⋅ τ n,t
2
⎝ 2 ⎠
Si trovano i seguenti valori del coefficiente di sicurezza:
• Caso (a): flessione rotante più trazione costante CS = 1,9
• Caso (b): flessione rotante più torsione costante CS = 2.
Commento
Sines dimostrò che il caso (b) è meno grave di quanto previsto da questo calcolo, introducendo un
criterio di verifica diverso da quello usato nel testo del Juvinall, che per brevità non si riporta.
σ m,eq =
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N. 6 – Tema di una 1.a Verifica intermedia (fine della 1.a parte del programma).
1) Determinare l'andamento delle caratteristiche della sollecitazione per il telaio di un carrello da
monorotaia e scegliere quello più corretto tra i diagrammi di momento flettente in figura.
L'andamento corretto è il seguente (fare un segno sulla casella): A B C D E
nessuno
2) La biella in figura, supposta priva di difetti, è sottoposta ad una forza normale alternata di entità
nota. Stabilire, in base al disegno ed ai dati seguenti, quale sia la sezione critica per la resistenza a
fatica e calcolare il coefficiente di sicurezza medio a fatica in quella sezione.
Dati
• Ampiezza della forza alternata applicata alla biella
Na=25 kN
• Carico unitario di rottura del materiale
SU=1000 MPa
• Carico unitario di snervamento
SY=850 MPa
• Limite di fatica medio (sollecitazione normale alternata): S'n=0,45 SU
• Sensibilità all'intaglio del materiale: dato dalla relazione q=1/[1+(a/Rintaglio)] con a =0,1 mm
• Coefficiente di finitura superficiale: assumere
CS=0,8
• Coefficiente dimensionale o di gradiente: assumere
CG=0,9
• Grafici dei coefficienti di concentrazione della tensione (vedi figure).
• Condizioni ambientali: tali da non generare alcun effetto particolare.
Indicare la soluzione corretta:
La sezione critica è la B-B, dove il coefficiente di sicurezza vale circa 2
La sezione critica è la A-A, dove il coefficiente di sicurezza vale all'incirca 1,5
Entrambe le sezioni sono quasi ugualmente critiche e il coefficiente di sicurezza vale circa 2
La sezione critica è la A-A, dove il coefficiente di sicurezza vale circa 2
La sezione critica è la B-B, dove il coefficiente di sicurezza vale 3
3) Indicare la/le risposte corrette - se ve ne sono - relativamente alle seguenti affermazioni:
Il fattore di concentrazione delle tensioni teorico è pari al rapporto tra la resistenza a fatica senza
intaglio e la resistenza con intaglio
vero
falso
Nessuna delle altre risposte è corretta.
vero
falso
Il fattore di concentrazione delle tensioni a fatica è pari al rapporto tra la resistenza a fatica senza
intaglio e la resistenza con intaglio
vero
falso
Il fattore di intensificazione degli sforzi è proporzionale al prodotto della tensione per la radice
quadrata della lunghezza di fessura
vero
falso
Il fattore di concentrazione delle tensioni a fatica è proporzionale al prodotto della tensione per la
radice quadrata della lunghezza di fessura
vero
falso
4) La ruota lenta 1 di un riduttore pendolare è internamente cava ed è calettata sull'albero pieno 2
del tamburo dell'argano di una apparecchio di sollevamento (vedi figura). Per impedire la rotazione
di tutto il riduttore attorno a questo asse, la carcassa è vincolata tramite una biella 3 ad un punto
fisso. L'albero d'ingresso 4 è azionato da un motore elettrico tramite un giunto elastico che trasmette
solo una coppia torcente all'albero 4.
Si chiede di calcolare le forze massima e minima agenti sulla biella 3 durante il funzionamento.
Dati:
• Massa del corpo durante la salita:
M1 = 500 kg
•
"
"
" discesa
M2 = 250 kg
• Momento d'inerzia delle masse rotanti,
ridotte all'albero del tamburo J0 = 0,1 kgm2
• Velocità di salita e di discesa a regime: v = 2,5 m/s
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• Accelerazione e decelerazione massime a = 5 m/s2
• Numero di giri del motore a regime:
N = 1530 g/'
• Numeri di denti dell'ingranaggio: pignone: 20, ruota 64.
• Rendimento meccanico del riduttore
η = 98%
• Dimensioni: vedi figura allegata
Scegliere, facendo un segno nella casella, le risposte (approssimata) corretta:
Le forze massima vale: 1285 N in compress.
; la forza minima vale: 375 N in compress.
Le forze massima vale: 980 N in trazione
; la forza minima vale: 265 N in trazione
Le forze massima vale: 1050 N in compress.
; la forza minima vale: 125 N in compress.
La forza massima vale: 2 kN in trazione
; la forza minima vale: 75 N in trazione
Le forze massima vale: 480 N in trazione
; la forza minima vale: 120 N in compress.
5) La resistenza di un elemento meccanico è distribuita in modo Gaussiano. La differenza tra la
resistenza media ed il valore di un carico statico noto è pari a tre volte la deviazioni standard della
Gaussiana. Quale delle seguenti risposte è corretta?
La resistenza è assicurata per una durata praticamente infinita
Vi sarà, all'incirca, una probabilità di cedimento su 1.000.000
Non si può rispondere mancando il valore della deviazione standard
Vi potrebbero essere rotture nel 10% dei casi
L'affidabilità ottenuta è quasi pari al 99,9%
6) Una trave a sezione quadrata cava, realizzata con un materiale noto, è sottoposta a flessione pura.
Si chiede di calcolare i valori del momento flettente corrispondenti a:
A. completa plasticizzazione della sezione integra, non fessurata (cerniera plastica)
B. frattura per propagazione di una fessura trasversale passante nella zona maggiormente tesa
(assumere, per semplicità, la relazione valida per lastra infinita tesa)
Dati:
• Altezza e larghezza della sezione H=B= 100 mm
• Spessore
t= 25 mm
• Tensione di snervamento
SY= 300 MPa
• Tenacità a frattura
KIC= 20 MPa(m)0,5
• Lunghezza della fessura
2c= 10 mm
Scegliere, facendo un segno nella casella, le risposte corrette. Il cedimento avviene per:
frattura con Mf ≈ 25 kNm
plasticizzazione con Mf ≈ 47 kNm
plasticizzazione con Mf ≈ 2500 Nm
frattura con Mf ≈ 1250 Nm
plasticizzazione con Mf ≈ 65 kNm
frattura con Mf ≈ 800 Nm
plasticizzazione con Mf ≈ 320 Nm
frattura con Mf ≈ 2 kNm
plasticizzazione con Mf ≈ 15 kNm
frattura con Mf ≈ 72 kNm
7) Se il limite di fatica medio con sforzo normale alternato è dato da: S'n=0,45 SU determinare,
usando il criterio di Goodman, l'analogo valore limite della ampiezza della tensione nel caso di
sollecitazioni ripetute tra zero ed un valore massimo. Scegliere la risposta corretta tra le seguenti:
SY (snervamento)
0,7 SU
0,3 SU
0,9 SU
Vale all'incirca:0,5 SU
8) Se si è risposto correttamente alle domande (1-7), assumere dimensioni ed ulteriori dati a piacere
per verificare l’albero motore 4 radente del riduttore della domanda (4) con i relativi cuscinetti a
boccola ed attrito. Si vogliono una durata di almeno 5000 ore per le boccole (materiale: bronzo) ed
una durata infinita con affidabilità 99,9% per l’albero di pezzo col pignone (mat.: acciaio da
bonifica).
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A
B
D
C
E
A
B
R=1,4
FIGURE
20
Si vedano, per gli altri dati, le Figg.
4.38(b) e 4.40 (b) del testo
di Juvinall e Marshek.
spessore
Qui sottile
boccola antifretting
40 20
20
A
B
Sezione
Riduttore
pendolare
1
∅100
2
200
3
50
4
M
Posizione della
fessura
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RISPOSTE CORRETTE
Domanda 1 (3 punti)
L'andamento corretto del Momento flettente è il seguente: C
Domanda 2 (5 punti)
La sezione critica è A-A, dove il coefficiente di sicurezza vale circa 2. Infatti nella sezione B-B,
dove il fattore di concentrazione delle tensioni a fatica è all’incirca lo stesso, la tensione varia con
ciclo ripetuto, mentre nella sezione A-A varia con ciclo alternato, che è più gravoso.
Domanda 3 (3 punti)
Il fattore di concentrazione delle tensioni teorico è pari al rapporto tra la resistenza a fatica senza
intaglio e la resistenza con intaglio
falso
Nessuna delle altre risposte è corretta.
falso
Il fattore di concentrazione delle tensioni a fatica è pari al rapporto tra la resistenza senza intaglio e
la resistenza con intaglio
vero
Il fattore di intensificazione degli sforzi è proporzionale al prodotto della tensione per la radice
quadrata della lunghezza di fessura
vero
Il fattore di concentrazione delle tensioni a fatica è proporzionale al prodotto della tensione per la
radice quadrata della lunghezza di fessura
falso
Domanda 4 (5 punti)
L'equilibrio alla rotazione della scatola è dato dalle reazioni opposte della biella e dell'albero dello
argano. Le prevalenti coppie resistenti "di servizio" MigR si sommano oppure si sottraggono alle
coppie (MiaR+J0dω/dt) dovute all'inerzia. La coppia resistente trasmessa dall'albero dell'argano si
somma a quella motrice, di uguale verso: Mm=MR/ητ dove η è il rendimento meccanico e τ il
rapporto di trasmissione (τ=3,2). Durante il funzionamento dell’argano le forze massima e minima
sulla biella valgono perciò rispettivamente: circa 2 kN in trazione e 265 N in trazione
Domanda 5 (1 punti)
L'affidabilità ottenuta è quasi pari al 99,9%
Domanda 6 (4 punti)
Cedimento per plasticizzazione della sezione con momento flettente: Mf ≈ 65 kNm e per frattura
con sollecitazione in campo elastico (σcritico≈KIC/(πc)0,5) perciò: Mf ≈ 25 kNm
Domanda 7 (3 punti)
Applicando la relazione di Goodman: (σa/Sn)+(σm/SU)=1 con σa=σm si trova che il valore limite
dell’ampiezza σa della tensione ripetuta tra zero ed un valore massimo è pari a 0,31 SU. La
risposta corretta è: vale circa 0,35 SU
Totale punteggio disponibile per le prime 7 domande: 24
A queste domande occorre ripondere in non più di tre ore, senza consultare alcun testo od
appunto, se non per quanto è indispensabile (es.: valori di kt)
Risultato minimo ammissibile: 12 punti.
Alla domanda n.8 (6 punti) si sarà una risposta nell’ora successiva, consultando liberamente
manuali o testi per redigere una breve “relazione tecnica” (1 pagina).
Si veda, per una traccia dello svolgimento, l’esempio 8.4 del testo di Juvinall e Marshek.
Risultato minimo ammissibile sulle otto domande: 15/30
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11 Tema prova scritta 16.9.08
In figura è mostrata il bozzello inferiore di una “taglia”, ovvero di un paranco semplice a fune
metallica, destinato a sopportare il gancio che esercita la forza F. Le cinque pulegge recano
ciascuna un rinvio della fune metallica di sollevamento che si avvolge sul bozzello superiore, non
mostrata in figura, da cui la fune è rinviata all’argano. La fune avvolge le pulegge con un angolo
nominale di 180°.
Il dispositivo è sottoposto per un grande numero di volte al carico F , ripetuto da circa zero al valore
assegnato. Saltuariamente il dispositivo viene sottoposto a manutenzione. In tali circostanze la
taglia inferiore è movimentata sostenendola tramite l’attacco forato posto in alto.
Si richiedono:
1. La traduzione del disegno in schemi di Meccanica che dimostrino d’equilibrio sia
dell’assieme, sia dei principali componenti in figura, unitamente all’analisi e alla
quantificazione dei carichi nelle condizioni di funzionamento indicate. Nel calcolo delle
forze si possono trascurare i pesi propri rispetto ai carichi provocati dalla forza F.
2. L’analisi della sollecitazione e la verifica a resistenza dell’asse A recante le pulegge,
determinando il coefficiente di sicurezza nella o nelle sezioni ritenute critiche, da indicare
nella soluzione.
3. Dimensionamento, con lo stesso coefficiente di sicurezza determinato in (2), e disegno in
sezione longitudinale di uno dei due perni passanti filettati P , che vincolano alle piastre Z
il supporto S , a forma di arco, che sostiene il gancio.
4. (opzionale) Il calcolo della durata, con affidabilità 99%, dei cuscinetti delle pulegge.
Dati:
• Il carico nominale di servizio agente sul supporto S del gancio è pari a Fn = 2 MN.
• Fattore di sovraccarico: assumere KO = 1,5.
• L’asse A ed i perni P sono costruiti in acciaio al C bonificato con carico unitario di rottura
statica SU = 1200 MPa. Altre caratteristiche: ricavare dal testo o da un manuale.
Lavorazioni: per l’asse ed i perni: laminazione a caldo della barra, tornitura e rettifica finale.
• I cuscinetti a rulli conici hanno capacità di carico dinamico: C = 280 kN; essi sono
lubrificati con grasso avente viscosità cinematica, alla temperatura di regime:
ν = 100 mm2/s; grado di pulizia normale.
• Dimensioni: vedi figura.
• Altri dati e dimensioni: da assumere a piacere e da indicare con chiarezza nella soluzione.
La soluzione deve essere sintetizzata in 2 pagg. (formato di esame).
Gli schemi e i calcoli devono avere la massima chiarezza possibile;
scrivere perciò le relazioni di calcolo dapprima in forma simbolica.
Indicare le unità di misura a fianco di tutti i dati e dei risultati
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Disegno d’assieme e fotografia del dispositivo
(essendo simmetrico è mostrata solo metà della sezione longitudinale)
75 135 100 100
∅170
A
840
50
P
X
X
∅130
Z
F
X-X
Area
Media
Am=
4000mm2
320
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Suggerimenti per la soluzione
Dallo studio delle linee di forza si riconosce che la struttura portante del bozzello è riconducibile ad un
telaio. Se si assume che tra l’intelaiatura e gli assi da 170 e da 130 mm sussistano vincoli di appoggio e non
di incastro (imperfetto), data la simmetria il problema si riduce alla ricerca di una sola incognita iperstatica.
Si ottengono in questo modo tutte le forze agenti sull’asse da 170 mm che occorre verificare a fatica;
trascurando i pesi si ha una condizione di carico ripetuto “dall’origine”.
La verifica, che può eseguirsi secondo quanto indicato sul libro di testo, può non risultare soddisfatta, anche
in rapporto alle scelte dei fattori che riducono la resistenza (in particolare, trattandosi di un componente di
medio-grandi dimensioni il fattore “di gradiente” CG non sarebbe superiore a 0,7). Si tenga presente che, in
realtà, l’asse andrebbe verificato a fronte di uno “spettro” o “cumulativo” costituito da carichi di ampiezza
variabile, che sarebbe meno gravoso della condizione di carico qui ipotizzata sempre pari al valore massimo.
Il perno sarà dimensionato per resistere:
• allo sforzo di taglio nelle due sezioni di recisione
• alla sollecitazione affaticante di flessione, non potendosi escludere che i giochi di montaggio
concedano una leggera inflessione del perno stesso, possibile causa di rottura dilazionata nel tratto
centrale
• alla pressione sulle superfici di accoppiamento con le parti Z e S.
Per quanto riguarda il disegno del perno, si veda sul testo di disegno, oppure su manuali o testi di
Costruzione di macchine dotati di buone illustrazioni, quale, ad esempio:
•
Lezioni di Costruzione di macchine di Lucio Lazzarino, Ed. PLUS, Pisa, 2005
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APPENDICE A
Schema di un piano di prodotto - Estratto da:
Anon. - LINEE GUIDA PER L'APPLICAZIONE NEL SETTORE MECCANICO DELLA NORMA UNI-EN 29001 Sistemi qualità - Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Milano, 1992
Descrizione generale
Condizioni ambientali
Profilo di missione
Condizioni di impiego
Affidabilità
Prestazioni
Di sicurezza
Di carattere fisico
Vincoli costruttivi
Di carattere tecnologico
Movimentazione,
imballaggio, trasporto
Estetici
Disposizioni di Legge
Leggi, norme e regolamenti
Norme nazionali ed internazionali
Altre norme
Di installazione
Istruzioni
Di uso e manutenzione
Lista parti di ricambio
Vincoli di assicurazione di Qualità
Dispense di ECM – 2008-09
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APPENDICE B
Esempio di specifica tecnica di un prodotto di grande serie - Estratto da:
G.Pahl, W.Beitz - ENGINEERING DESIGN - 2.a ed.ne inglese - Springer, 1996
XYZ
Specifica per
Pag. 1 di 2
Indicatore livello carburante
per serbatoi di autocarri
Modifiche V/NV
Requisiti
Responsabilità
1. Serbatoio, connessioni, distanze
V
Volumi...(specificare)
V
Forme...(specificare)...; serbatoio: rigido
V
Materiale.... (specificare)
Connessioni al serbatoio:
NV
•
tramite flangia
V
•
superiormente
V
•
lateralmente
NV
Ingombri, pesi .....(specificare)
V
Distanza dal quadro strumenti ....(specificare)
2. Contenuti: natura, temperature
V
Gasolio: tipi.....(specificare)
V
Temperature di funzionamento
V
Temperature massime ammissibili da .... a .....°C
da .... a ..... °C
3. Tipo di misura, segnali, energia
NV
Uscita: segnale elettrico .....(specificare)
V
Alimentazione: ....(specificare)
V
Accuratezza segnale di misura ....(specificare)
V
Sensibilità di misura .....(specificare)
V
Insensibilità alle onde del liquido
V
Possibilità di calibrazione
V
Minima quantità misurabile ....(specificare)
NV
Indicazione di "riserva" .....(specificare)
Dispense di ECM – 2008-09
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XYZ
Specifica per
Pag. 2 di 2
Indicatore livello carburante
per serbatoi di autocarri
Modifiche V/NV
Requisiti
Responsabilità
4. Condizioni di funzionamento
V
Accelerazioni (senso marcia etc.)...(specificare)
NV
Urti ammissibili .....(specificare)
V
Inclinazioni del veicolo .....(specificare)
V
Ventilazione del serbatoio (non pressurizzato)
5. Collaudi da superare
V
Esposizione al salmastro .....(specificare)
V
Contaminazione del liquido ....(specificare)
V
Resistenza
a
sovrapressione
interna
....
(specificare)
6. Durata richiesta, normativa
V
Non deve essere sostituito prima di ...(specificare)
per effetti corrosione o contaminazione)
V
Conformità con le norme ....(specificare)
NV
7. Producibilità
8. Uso, manutenzione
NV
Installabile senza particolare addestramento
V
Sostituibile, esente da manutenzione
9. Quantità da produrre (al giorno)
10. Costo (obiettivo)
Legenda:
V: Vincolante: esigenza da soddisfare assolutamente (Demands)
NV: Non vincolante, aspetto desiderabile (Wishes)
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APPENDICE C
CRITERI PER LA STESURA DI DOCUMENTI TECNICI (IN PARTICOLARE: DI PROGETTO)
L' indice di un documento tecnico scritto dovrebbe corrispondere, salvo eccezioni, al seguente schema.
•
Sommario: inquadramento generale e sintesi estrema del contenuto.
•
Indice.
•
Eventuale glossario od elenco dei simboli usati.
•
Eventuale elenco dei documenti che devono essere necessariamente consultati.
•
Introduzione: deve permettere di comprendere il seguito.
•
Impostazione del problema.
•
Criteri, metodi e mezzi usati per ottenerne la soluzione, tra cui in particolare:
♦
criteri seguiti per la scelta delle soluzioni,
♦
schematizzazioni adottate,
♦
metodologie per l'analisi, il calcolo o la sperimentazione,
♦
ipotesi su cui tali metodologie si basano,
♦
"software" utilizzato e dimostrazione della sua applicabilità e validità,
♦
dati ed informazioni essenziali di riferimento.
•
Risultati ottenuti applicando i suddetti criteri o metodi.
•
Discussione dei risultati, se necessaria.
•
Conclusioni, comprendenti:
•
♦
punti fermi relativi ai risultati ottenuti, positivi o negativi che siano;
♦
indicazioni, se necessarie, sull'ulteriore lavoro da compiere od in corso.
Appendici od allegati, che riportano quanto è ausiliare alla comprensione del testo e ciò che debba essere
eventualmente verificato da altri (p.es.: passaggi algebrici, tabulati di programmi su computer).
•
Bibliografia: con tutti i dati necessari per reperire le fonti di informazione citate nel testo.
•
Eventuali ringraziamenti: a collaboratori e consulenti che hanno dato un contributo importante.
Le tabelle, i prospetti e le figure possono essere riportate, per comodità, anche dopo la parte scritta.
Lo stile scritto da preferire è quello impersonale. Nella stesura del testo si devono applicare le usuali regole e perciò:
•
raccogliere preliminarmente informazioni e dati;
•
stabilire quali informazioni, criteri, risultati e conclusioni essenziali devono essere inclusi nel documento;
•
scrivere un indice di tentativo del documento;
•
scriverne una prima bozza;
•
rivedere criticamente la bozza ricordando a tale proposito che:
♦
ogni paragrafo deve contenere un'informazione completa, non ambigua che,
possibilmente, non sia ripetuta altrove ("statement");
•
♦
le frasi devono essere brevi: quindi senza aggettivi ed avverbi superflui;
♦
la struttura della frase deve essere semplice;
♦
ogni "perché" che il lettore possa formulare deve trovare una risposta chiara ed immediata;
scrivere la versione definitiva, curando anche l'impaginazione, gli schemi e le illustrazioni.
E` inoltre opportuno:
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•
presentare fin dall'inizio del testo le idee fondamentali;
•
descrivere il tutto prima della parte o del dettaglio;
•
fare emergere chiaramente le informazioni importanti.
Conviene infine:
•
porre titoli a paragrafi e sottoparagrafi od iniziare con una frase che ne riassuma il
contenuto;
•
separare i fatti (p.es.: le osservazioni sperimentali) dalle opinioni (p.es.: da quali fenomeni
si
ritiene
che
dipendano le osservazioni effettuate);
•
servirsi di nomi, anche a costo di ripetersi, se l'uso di pronomi può creare ambiguità;
•
servirsi largamente di illustrazioni, schemi e diagrammi per ridurre quanto più è possibile il testo scritto;
•
prevedere numeri o sigle di identificazione per formule, figure, tabelle e riferimenti
bibliografici, per consentire agevoli richiami e consultazioni;
•
unire a tabelle e figure una concisa didascalia ed, in generale, chiarire gli schemi ed i grafici con brevi testi
scritti e con "legenda" relative ai simboli usati;
•
ridurre al minimo essenziale formule e passaggi algebrici; riassumere, tramite tabelle o grafici, tutti i dati di
ingresso e tutti i risultati relativi ad uno stesso procedimento, invece di ripeterlo ogni volta;
•
•
verificare sistematicamente che:
♦
le citazioni siano corrette,
♦
le illustrazioni siano facilmente correlabili al testo,
♦
le relazioni matematiche siano giuste,
♦
le unità di misura siano corrette e congruenti tra loro,
♦
lo stesso simbolo non sia usato in differenti contesti,
♦
siano indicate le fonti di provenienza;
presentare i riferimenti bibliografici in fondo al testo in modo completo, secondo gli
standards internazionali, in modo da consentirne un agevole reperimento.
Se il testo è in lingua straniera è opportuno che sia verificato da una persona del tutto padrona di quella lingua.
Spesso occorre organizzare presentazioni orali destinate a circostanze formali quali revisioni di progetto, riunioni di
comitati, convegni. Copie del materiale, quale traslucidi, diapositive, posters od estratti di ciò che è presentato tramite
software grafico o videotapes, unitamente al conciso testo - facilmente leggibile a distanza - che normalmente serve a
sottolineare i punti essenziali dell'esposizione orale, possono essere riorganizzati in modo da costituire un documento
(p.es.: allegati al verbale di una riunione). Il contenuto deve quindi essere autoesplicativo.
Altri riferimenti:
Ulrich, Eppinger, Progettazione e sviluppo del prodotto, McGraw Hill, 2001
Norma UNI-ISO 5966: Formati e contenuto dei documenti tecnici scritti.
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